WO2008012212A2 - Schaltungsanordnung - Google Patents

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WO2008012212A2
WO2008012212A2 PCT/EP2007/057222 EP2007057222W WO2008012212A2 WO 2008012212 A2 WO2008012212 A2 WO 2008012212A2 EP 2007057222 W EP2007057222 W EP 2007057222W WO 2008012212 A2 WO2008012212 A2 WO 2008012212A2
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pwm
commutation
contact
signal
circuit arrangement
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Inventor
Johannes Schwarzkopf
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Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kg, Würzburg
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    • 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
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for controlling a brushless electric motor, comprising a control module, in particular a microcontroller, having a number of PWM contacts, via which a PWM signal can be output, and a number of commutation contacts, via which a commutation signal can be output , having.
  • the output signals generated by such circuitry are used to control a brushless electric motor.
  • Such an electric motor has a number of winding strands or phases, which are usually arranged along the circumferential direction of a stator.
  • a rotating magnetic field is generated by a ge ⁇ controlled energization of the winding phases, of which one having Direction usually permanent magnets rotor is driven.
  • electric motors with three phase windings are known, which are arranged in a star connection and can thus be energized via three motor terminals.
  • the characteristics of the electric motor, in particular speed and torque can be controlled.
  • the commutation signal encodes the duration of the current supply for each individual phase winding or the duration of a corresponding voltage supply, for example for each individual motor terminal.
  • the commutation signal can be introduced into a control in such a way that energization of the associated winding strand or a voltage supply of the associated motor terminal can only take place at a corresponding level of the signal.
  • the two levels HIGH or LOW are used for this purpose.
  • the PWM signal is used to vary the FFM during Bestro- or commutation phase to the respective winding strand ⁇ applied voltage or for varying the voltage applied to the associated motor terminal potential.
  • a PWM or pulse width modulation signal specifies the on and off time of a square wave signal at a fixed fundamental frequency.
  • the duration of time of the square wave signal within a PWM clock cycle the voltage applied in the Middle voltage can be varied for ei ⁇ nen sluggish consumer. If the square-wave signal is switched on, for example, only half of the total available time, then the consumer sees on average only half of the voltage present during the switch-on time.
  • the PWM signal is linked to the commutation signal via a logic module in the manner of a gate to control the respective winding strands or motor terminals of a brushless electric motor.
  • a logic device for example, an OR gate, as it is for controlling the output of the OR gate, a signal is available which then responds ent ⁇ the PWM signal when the same is the commutation signal on the LOW level.
  • the associated motor terminal is speaking ⁇ ent supplies the output voltage signal with a PWM-clocked chip. Is the commutation signal on the
  • the output signal of the OR gate is constantly at the HIGH level.
  • the motor terminal is supplied with a constant voltage signal, in particular pulled to ground or to a low ground potential.
  • an AND gate as a logic device, it behaves the other way round.
  • the degrees of freedom with respect to the control possibilities of the electric motor are limited by such a wiring.
  • the activation of the Elect ⁇ romotors for example by means of a fed from an intermediate circuit converter having a number of controllable switching elements for the clocked switching between the two potentials of the intermediate circuit, so can be used for a winding strand, the so-called high-side switching element, that the one switching element, which the motor supply line switches to the high potential of the DC link, can not be controlled independently of the LOWSIDE switching element, which switches the motor supply line to the low potential of the DC link.
  • only one einzi ⁇ ges PWM signal is available for both switching elements.
  • the object of the invention is to design a circuit arrangement of the type mentioned in such a way that the number of control options over an embodiment according to the prior art increases with the same number of PWM contacts.
  • the invention is based in a first step on the consideration that many control components and in particular Microcontroller have contacts that are alternately configurable both as an input and as an output. If the respective contact is configured as an output, then the output signal dominates in the supply line. A possibly other Sig- nal in the supply line is on the level of the contact Gezo ⁇ gene. Thus, the output from each control device output signal to be gripped from ⁇ via a correspondingly contacted supply line. If the corresponding contact as a ⁇ A gear configured so predominates A possibly in the connecting line contained signal. In other words, the signal dominates in the supply line.
  • the invention is based on the consideration that the adjustment of the signal level in a supply line is suitable as input or output for generating a control signal for the brushless electric motor, depending on the configuration of the connected contact.
  • the alterna- tive configuration as input or output provides a total of three options for a digital control signal.
  • a configuration of the contact as an output it is possible to pull a signal in the supply line either to the level HIGH or to the level LOW corresponding to the respective output signal of the contact. If, on the other hand, the contact is configured as an input, the signal applied via the connecting line is not influenced by the contact.
  • the invention recognizes that the necessary control signal for a winding str Lucas of the brushless electric motor by means of a commutation signal and a PWM signal by increasing the control ⁇ possibilities can be realized in that the PWM-contact electrically connected to the corresponding commutation contact is connected, which is alternately controllable as input and output.
  • the tapped off via a connecting line with the contact PWM control signal then has either the HIGH level or the LOW level at a confi guration ⁇ Kommut réelles giftedes as output.
  • the commutation contact as input dominates the PWM signal in the adjacent line.
  • a control signal can thus be generated independently of the PWM signal, which is permanently at the level LOW or at the level HIGH.
  • a permanent level LOW of the control signal independent of the PWM signal is not possible in a conventional circuit arrangement with an OR operation between the PWM signal and the commutation signal.
  • a permanent adjustment of the control signal to the level HIGH is not achievable.
  • the invention offers over a conventional
  • the invention is basically suitable for driving each brushless electric motor.
  • the invention for actuating of fan motors is how they are used for example in the Automo ⁇ biltechnik application.
  • the invention is not limited to that notwendi ⁇ gate all commutation contacts, which are used for driving a respective motor terminal, or in each case one winding phase are alternately controllable as input and output. To increase the degrees of freedom in the control, it is sufficient to select one of the commutation so controllable.
  • the invention does not require the use of a special control module. Because the control modules usually used to control a brushless electric motor have the functionality to configure the contacts alternately ⁇ as an input or output. Conveniently, the at least one Kommut réelleskon ⁇ clock which alternately is confi ⁇ gurable as input or as output, connected via a resistor comparable to the PWM contact.
  • all the commutation contacts are configured alternately as inputs and outputs controllable and electrically connected to a PWM contact.
  • the number of control options is increased for each commutation signal and thus for each winding ⁇ strand of the electric motor to be energized.
  • this also several PWM contacts can be used, which are each electrically connected to the associated commutation.
  • all the commutation contacts are alternately controllable as inputs and outputs and each connected to a single PWM contact. This makes it possible, with a favorable control module, which has only a single PWM contact, to control the motor terminals or the phase windings of a brushless electric motor with respect to a conventional circuit arrangement with improved functionality.
  • a PWM contact via a series circuit of a resistor and a capacitor with a ground potential, in particular ⁇ special with ground, connected to another as input and output controllable contact of the control module between the resistor and the Capacitance is connected, and wherein between resistor and capacitance, a voltage signal can be tapped.
  • additional circuitry of the PWM contact he ⁇ enables without the use of a digital / analog converter which He ⁇ generating an analog reference voltage.
  • the commutation contacts connected to the PWM contact are each configured as inputs.
  • the other as input and output contact controllable as defined as input as an analog voltage can be sauce ⁇ attacked whose height can be adjusted on the PWM timing between resistance and capacitance.
  • the further contact which can be controlled as input and output, in a sense acts as a switch. If it is configured as an output, a DAC ⁇ erhaftes signal either on the HIGH level or the LOW Pe ⁇ gel is produced as an output signal.
  • the comparison voltage can be generated, for example, when independent operating ranges of the electric motor exist in which the PWM signal is not needed for Bestromungs Kunststoffung. This is the case, for example, in lighting gaps or in a permanent energization of a winding strand.
  • the commutation contacts inverter are advantageously fed through a driver module to one of a DC voltage circuit or intermediate circuit, in particular PWM controllable connected.
  • the driver module transfers the control signals of the control module into corresponding power signals, which drive the switching elements of the converter.
  • the latter has in particular for a Mo ⁇ torzu ein two controllable switching elements, as in ⁇ game as MOSFET's or IGBT's, which are connected in series between the supply line and the return line of the DC voltage intermediate circuit, wherein the switching elements JE because of a control line of the driver module to the
  • Control signals in particular to the commutation, are bound to ⁇ . Since in a conventional circuit arrangement according to the prior art - as mentioned above - the HIGHSIDE switching elements of the inverter are not independently controlled by the LOWSIDE switching elements, usually only the respective HIGHSIDE switching element PWM clocked, while the
  • LOWSIDE switching element is either open or closed. However, such a wiring or control leads to an uneven power loss. Thus, in the HIGHSIDE switching elements switching losses predominate and in the LOWSIDE switching elements line losses. Be against both
  • the invention allows Kommut istszuident that could not be controlled so far.
  • a control module with le ⁇ diglich a PWM contact, a motor terminal to the supply line of the DC link and a motor terminal to the return line of the DC link and another motor terminal, for example, with a duty cycle of 90% of the voltage of To drive DC link.
  • the invention provides the ability to drive to achieve a predetermined voltage between the motor terminals, the corresponding HIGHSIDE switching element with a duty cycle of 100% and the corresponding LOWSIDE switching element with egg ⁇ nem desired duty cycle by using the PWM signal.
  • the HIGHSIDE switching element with a duty cycle of 60% PWM clock had to be clocked during a low-side switching element was permanently open, it is with the dung oF INVENTION ⁇ optionally also possible for the high-side switching element with a duty ratio of 100% (control signal has the level HIGH) and the LOWSIDE switching element with a Tastver ⁇ ratio of 40% PWM controlled to operate.
  • the invention can also be used to determine the position of the electric motor for its regulation or control.
  • the electric motor is operated to achieve high speeds such that the block commutation of the electromotive force (short EMF), ie the voltage induced in the winding strands voraneilt, so a position determination can not be determined by detecting the zero crossing of the emf.
  • short EMF electromotive force
  • the energization of the corresponding winding strand already starts, so that the induced voltage as such can no longer be detected.
  • the EMF is to be measured at a location not equal to the zero crossing.
  • a comparison voltage which is compared by a comparator with the precisely measured ⁇ NEN voltage value of the EMF.
  • This voltage can be generated by means of the PWM contact of the control module, as described above, by passing the PWM signal to an RC element.
  • the comparison voltage results from the predetermined duty cycle of the PWM signal.
  • the respective commutation contact of the control module can be configured as an output during this time. This allows the PWM Use signal for generating the comparison signal and to make a position determination by measuring the value of the emf by means of the comparison signal.
  • a digital / analogue converter can be dispensed with.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement in which a PWM contact is connected in each case via resistors with commutation contacts
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement according to the prior art
  • FIG. 3 shows a circuit arrangement according to FIG
  • PWM contact is additionally connected to an RC element and
  • FIG. 4 shows a circuit arrangement analogous to FIG. 3, which is connected to a
  • Driver module for controlling an electric motor is connected by means of an inverter.
  • the circuit arrangement 1 shows a circuit arrangement 1 for driving a brushless electric motor (not shown).
  • the circuit arrangement 1 has a control module 2 in the form of a microcontroller, which contains a number of configurable contacts 4. At least a portion of the contacts 4 is alternately as input and output as confi ⁇ gurable.
  • the control module 2 in particular three commutation 5, 6 and 7, which are also each kon ⁇ figurable both as inputs and as outputs.
  • the three commutation contacts 5, 6 and 7 respectively generate a commutation signal, which can be used to Steue ⁇ tion of the power supply in each case a motor terminal of a bipolar three-phase electric motor.
  • the outputs of the three commutation contacts are 5,6,7 Kings ⁇ nen used in particular for driving the respective high-side switching elements of a supplied by a DC To ⁇ judicature.
  • the control block 2 to a PWM contact 8 serving a configurable PWM signal for PWM clocking the attached ⁇ controlled switching elements.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement 20 according to the prior art.
  • the circuit arrangement 20 according to FIG 2 in this case comprises the same control module 2 as the circuit arrangement 1 according to FIG 1.
  • the control signal which can be tapped off for the switching elements via the connecting lines 10, 11 and 12 is instead replaced by a logical connection between the PWM signal of the PWM contact 8 and the respective commutation signal. generated rung signals of the commutation 5,6 and 7.
  • the PWM signal and the respective commutation ⁇ signals are each linked via a logic device 21,22 and 23 respectively.
  • the logic modules 21, 22 and 23 are each an OR gate.
  • the respective control signal corresponds to the PWM signal of the PWM contact 8 is the commutation signal on the HIGH level, the respective control signal is also at the level HIGH pulled. A permanent generation of a control signal with the level LOW is not possible.
  • the HIGHSIDE switching elements of Umrich ⁇ age be supplied by means of control signals from the connecting lines 10,11 and 12 as shown, which are logically linked via an OR gate to the PWM signal.
  • the jewei- time low-side switching elements of the inverter are entspre ⁇ accordingly generated by logically combining further Kommut istssigna ⁇ le with the PWM signal with the aid of an AND gate.
  • circuit arrangement 1 according to FIG. 1 offers more possibilities for controlling the electric motor than the circuit arrangement 20 according to FIG. 2.
  • FIG. 3 a circuit arrangement 1 according to FIG. 1 is shown, wherein additionally the PWM contact 8 is contacted with an RC element.
  • the RC element comprises in this case a reflection ⁇ stand 27 which is connected in series with a capacitor and a capacity 28th The capacitance 28 is connected to ground 30.
  • the generated analog voltage can be switched on or off. If the contact 26 is defined as output, either the HIGH level or the LOW level can be tapped off via the connecting line ⁇ 31st In a configuration of the contact 26 as an input, however, the generated analog voltage can be tapped.
  • the analog voltage generated in this manner by means of PWM clocking using the PWM contact 8 is used in particular - as already mentioned - for determining the position of the electric motor by measuring the induction voltage generated in the phase windings.
  • this is the case when at high speeds, the respective switching elements of the inverter are driven without PWM clocking and the block commutation precedes the EMF. Then the EMK will be in the
  • control module 4 shows the control module 2, the control signals by means of a driver module 34 for controlling the Wegele ⁇ elements of a converter 35 implemented and thus used to drive an electric motor 37.
  • the commutation contacts 5, 6 and 7 as well as the PWM contact 8 of the control component 2 are used.
  • the commutation contacts 5, 6 and 7 are used to control the HIGHSIDE switching elements of the converter 35.
  • the commutation contacts 5, 6 and 7 are electrically connected respectively via the ver ⁇ Wi ⁇ resistors 14,15 or 16 with the PWM contact.
  • the driver module 2 additional commutation ⁇ ment contacts 5 x , 6 x and 7 x , which are used to control the LOWSIDE switching elements of the inverter 35.
  • the commu ⁇ are t istsminte 5 x , 6 x and 7 x also via the resistors 14 ⁇ 15 X and 16 x electrically to the PWM contact 8 of the ⁇ control block 2 connected.
  • the electric motor 37 is a bipolar, three-phase electric motor with three winding phases, which are connected in star.
  • the resulting three motor terminals are sorted ⁇ wells alternately shifted via the high-side or low-side switching elements of the converter 35 to the high and the low poten- tial of an intermediate circuit, is fed via the Umrich ⁇ ter 35th
  • the energization of the winding strands is made possible via corresponding circuitry of the switching elements in such a way that a rotating magnetic field is built up, from which a rotor with permanent magnet is taken.
  • the driver module 2 according to FIG. 4 is configured in such a way that, for controlling the electric motor 37, both the HIGSIDE and the LOWSIDE switching elements of the converter 35 are PWM clocked.
  • the circuit arrangement according to FIG 4 offers the possibility, depending on the respective desired Radiobe ⁇ rich, the electric motor 37 to control different. So it is of course also possible to control only the HIGHSIDE switching elements by PWM clocking, while the LOWSIDE switching elements are only opened or closed. This operating range is necessary, for example, since in the case of the use of a bootstrap circuit an operating range with alternating clocking of the HIGHSIDE and the LOWSIDE switching elements is not permitted.
  • an operating range can also be run by no longer using the PWM signal for commutation.
  • the individual switching elements of the order ⁇ richter be either on or off.
  • the PWM signal for other purposes, in particular for generating an analog reference voltage signal is ⁇ sets are.
  • the RC element consisting of the resistance 27 and the capacitance 28, is provided.
  • the reference voltage which can be tapped off at the RC element is switched on or off.
  • the comparison voltage is available to the position detection device 39, which uses the value of the generated comparison voltage to measure the induction voltage generated in the phase windings. About the height of the reference voltage while the time of measurement can be influenced.
  • the induced voltage can also Be determined outside the zero crossing, which is necessary when setting a positive ignition angle.
  • the output signal of the position detection 39 is in turn supplied to the control module 2, so that the electric motor can be controlled in phase.

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung (1,20) zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors (37) mit einem Steuerbaustein (2), insbesondere einem Mikrokontroller, der eine Anzahl von PWM- Kontakten (8), über die ein PWM-Signal ausgebbar ist, und eine Anzahl von Kommutierungskontakten (5,5`,6,6`,7,7`), über die ein Kommutierungssignal ausgebbar ist, aufweist, angegeben. Dabei ist vorgesehen, dass wenigstens ein Kommutierungskontakt (5,5`,6,6`,7,7`) wechselweise als Ein- und Ausgang steuerbar ist, dass der wenigstens eine Kommutierungskontakt (5,5`,6,6`,7,7`) ausgangsseitig mit einem PWM- ontakt (8) elektrisch verbunden ist und dass der derart verbundene Kommutierungskontakt (5,5`,6,6`,7,7`) zum Abgriff eines Steuersignals kontaktierbar ist. Mit einer derartigen Schaltungsanordnung (1,20) werden für einen gegebenen Steuerbaustein (2) die Steuerungsmöglichkeiten erhöht. Die Anzahl der nötigen PWM-Quellen wird verringert.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors, mit einem Steuerbaustein, insbesondere einem Mikrokontroller, der eine Anzahl von PWM- Kontakten, über die ein PWM-Signal ausgebbar ist, und eine Anzahl von Kommutierungskontakten, über die ein Kommutie- rungssignal ausgebbar ist, aufweist.
Die von einer derartigen Schaltungsanordnung erzeugten Ausgangssignale werden zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors verwendet. Ein solcher Elektromotor weist eine Anzahl von Wicklungssträngen oder Phasen auf, die meist entlang der Umfangsrichtung eines Stators angeordnet sind. Über eine ge¬ steuerte Bestromung der Wicklungsstränge wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, von dem ein in der Regel Permanentmagnete aufweisender Läufer mitgenommen wird. Bekannt sind insbeson- dere Elektromotoren mit drei Wicklungssträngen, die in einer Sternschaltung angeordnet sind und somit über drei Motorklemmen bestromt werden können. Über die Frequenz, Phase, Stärke und Dauer der Wicklungsströme, die über die an die Wicklungs¬ stränge anliegenden Spannungen gesteuert werden, können die Kenngrößen des Elektromotors, wie insbesondere Drehzahl und Drehmoment, gesteuert werden.
Über das Kommutierungssignal ist die Dauer der Bestromung für jeden einzelnen Wicklungsstrang bzw. die Dauer einer entspre- chenden Spannungsversorgung, beispielsweise für jede einzelne Motorklemme, kodiert. Das Kommutierungssignal kann derart in eine Steuerung eingebracht werden, dass eine Bestromung des zugeordneten Wicklungsstranges bzw. eine Spannungsversorgung der zugeordneten Motorklemme nur bei einem entsprechenden Pe- gel des Signals erfolgen kann. Im Falle eines digitalen Kommutierungssignals werden hierzu die beiden Pegel HIGH oder LOW verwendet . Das PWM-Signal wird zur Variation der während der Bestro- mungs- oder Kommutierungsphase an dem jeweiligen Wicklungs¬ strang anliegenden Spannung bzw. zur Variation des an der zugeordneten Motorklemme anliegenden Potentials verwendet. Ein PWM- oder PulsWeitenModulations-Signal gibt dabei die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei einer festen Grundfrequenz vor. Über die Dauer der Einschaltzeit des Rechtecksignals innerhalb eines PWM-Taktes kann dabei für ei¬ nen trägen Verbraucher die im Mittel anliegende Spannung va- riiert werden. Ist das Rechtecksignal beispielsweise nur die Hälfte der gesamt zur Verfügung stehenden Zeit eingeschaltet, so sieht der Verbraucher im Mittel nur die Hälfte der während der Einschaltzeit anliegenden Spannung.
Bei einer herkömmlichen Beschaltung wird zur Ansteuerung der jeweiligen Wicklungsstränge oder Motorklemmen eines bürstenlosen Elektromotors das PWM-Signal über einen Logikbaustein nach Art einer Torschaltung mit dem Kommutierungssignal verknüpft. Wird als Logikbaustein beispielsweise ein ODER-Gatter verwendet, so steht zur Steuerung am Ausgang des ODER-Gatters ein Signal zur Verfügung, welches dann dem PWM-Signal ent¬ spricht, wenn sich gleichzeitig das Kommutierungssignal auf dem Pegel LOW befindet. Die zugeordnete Motorklemme wird ent¬ sprechend dem Ausgangssignal mit einem PWM-getakteten Span- nungssignal versorgt. Wird das Kommutierungssignal auf den
Pegel HIGH geschaltet, so liegt das Ausgangssignal des ODER- Gatters konstant auf dem Pegel HIGH. Die Motorklemme wird mit einem konstanten Spannungssignal versorgt, insbesondere auf Masse bzw. auf ein niedriges Grundpotential gezogen. Im Falle der Verwendung eines UND-Gatters als Logikbaustein verhält es sich entsprechend umgekehrt.
Mit einer derartigen Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik ist es möglich, zur Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors einen kostengünstigen Steuerbaustein zu verwenden, der wenige PWM-Kontakte oder lediglich einen PWM-Kontakt aufweist. Das PWM-Signal eines einzigen PWM-Kontaktes wird mittels entsprechender Logikbausteine zur Modulation mehrerer Kommutierungssignale verwendet.
Nachteiligerweise werden durch eine derartige Beschaltung die Freiheitsgrade bezüglich der Ansteuermöglichkeiten des Elektromotors eingeschränkt. Geschieht die Ansteuerung des Elekt¬ romotors beispielsweise mittels eines von einem Zwischenkreis gespeisten Umrichters, der eine Anzahl von steuerbaren Schaltelementen zum getakteten Umschalten zwischen den beiden Potenzialen des Zwischenkreises aufweist, so kann für einen Wicklungsstrang das so genannte HIGHSIDE-Schaltelement , d.h. dasjenige Schaltelement, welches die Motorzuleitung auf das hohe Potenzial des Zwischenkreises schaltet, nicht unabhängig von dem LOWSIDE-Schaltelement angesteuert werden, welches die Motorzuleitung auf das niedrige Potenzial des Zwischenkreises schaltet. Denn für beide Schaltelemente steht nur ein einzi¬ ges PWM-Signal zur Verfügung. Ebenso ist es nicht möglich, bei einem Überlapp der Kommutierungsphasen einzelner Wicklungsstränge diese unabhängig anzusteuern, wenn nur ein PWM- Signal zur Verfügung steht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass sich die Anzahl der Steuermöglichkeiten gegenüber einer Ausgestaltung gemäß Stand der Technik bei gleicher Anzahl von PWM-Kontakten erhöht .
Dies wird für eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass we- nigstens ein Kommutierungskontakt wechselweise als Ein- und Ausgang steuerbar ist, dass der wenigstens eine Kommutie¬ rungskontakt ausgangsseitig mit einem PWM-Kontakt elektrisch verbunden ist, und dass der derart verbundene Kommutie¬ rungskontakt zum Abgriff eines Steuersignals kontaktierbar ist.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, dass viele Steuerbausteine und insbesondere Mikrokontroller Kontakte aufweisen, die wechselweise sowohl als Ein- als auch als Ausgang konfigurierbar sind. Wird der jeweilige Kontakt als ein Ausgang konfiguriert, so dominiert in der Zuleitung das Ausgangssignal. Ein etwaig anderes Sig- nal in der Zuleitung wird auf den Pegel des Kontaktes gezo¬ gen. Somit kann über eine entsprechend kontaktierte Zuleitung das jeweils vom Steuerbaustein ausgegebene Ausgangssignal ab¬ gegriffen werden. Wird der entsprechende Kontakt als ein Ein¬ gang konfiguriert, so überwiegt ein etwaig in der Verbin- dungsleitung enthaltenes Signal. Mit anderen Worten dominiert das Signal in der Zuleitung.
In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass sich die Einstellung des Signalpegels in einer Zuleitung abhängig von der Konfiguration des angeschlossenen Kontaktes als Ein- bzw. als Ausgang zur Erzeugung eines Steuersignals für den bürstenlosen Elektromotor eignet. Über die wechselweise Konfiguration als Ein- oder als Ausgang stehen dabei für ein digitales Steuersignal insgesamt drei Möglich- keiten zur Verfügung. Bei einer Konfiguration des Kontaktes als Ausgang wird es möglich, ein Signal in der Zuleitung entweder auf den Pegel HIGH oder auf den Pegel LOW entsprechend dem jeweiligen Ausgangssignal des Kontaktes zu ziehen. Wird der Kontakt hingegen als Eingang konfiguriert, so wird das über die Verbindungsleitung anliegende Signal durch den Kontakt nicht beeinflusst.
In einem dritten Schritt schließlich erkennt die Erfindung, dass sich das notwendige Steuersignal für einen Wicklungs- sträng des bürstenlosen Elektromotors mittels eines Kommutie¬ rungssignals und eines PWM-Signals unter Erhöhung der Steuer¬ möglichkeiten dadurch realisieren lässt, dass der PWM-Kontakt elektrisch mit dem entsprechenden Kommutierungskontakt verbunden wird, welcher wechselweise als Ein- und Ausgang steu- erbar ist. Das über eine Verbindungsleitung mit dem PWM- Kontakt abgreifbare Steuersignal weist dann bei einer Konfi¬ guration des Kommutierungskontaktes als Ausgang entweder den Pegel HIGH oder den Pegel LOW auf. Bei einer Konfiguration des Kommutierungskontaktes als Eingang dominiert hingegen in der anliegenden Leitung das PWM-Signal. Im Gegensatz zu einer bisherigen Schaltungsanordnung, bei der der Kommutierungskontakt stets als Ausgang definiert ist, kann somit unabhängig vom PWM-Signal ein Steuersignal erzeugt werden, welches sich dauerhaft auf dem Pegel LOW oder auf dem Pegel HIGH befindet. Ein dauerhafter Pegel LOW des Steuersignals unabhängig vom PWM-Signal ist bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung mit einer ODER-Verknüpfung zwischen PWM-Signal und Kommutie- rungssignal nicht möglich. Bei einer herkömmlichen Schal¬ tungsanordnung mit einer UND-Verknüpfung wiederum ist eine dauerhafte Einstellung des Steuersignals auf den Pegel HIGH nicht erreichbar.
Somit bietet die Erfindung gegenüber einer herkömmlichen
Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik den Vorteil weiterer Schaltungsmöglichkeiten, ohne dass die Anzahl der PWM- Kontakte des Steuerbausteins erhöht werden muss. Insbesondere braucht nicht auf einen teueren Steuerbaustein mit mehreren PWM-Kontakten zurückgegriffen werden. Somit wird ohne Kostenerhöhung eine Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors mit höherer Funktionalität verwirklicht. Die Erfindung eignet sich grundsätzlich zur Ansteuerung jedes bürstenlosen Elektromotors. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Ansteue- rung von Lüftermotoren, wie sie beispielsweise in der Automo¬ biltechnik Anwendung finden.
Die Erfindung ist nicht eingeschränkt darauf, dass notwendi¬ gerweise alle Kommutierungskontakte, die zur Ansteuerung je- weils einer Motorklemme oder jeweils eines Wicklungsstranges verwendet werden, wechselweise als Ein- und Ausgang steuerbar sind. Zur Erhöhung der Freiheitsgrade in der Ansteuerung genügt es, einen der Kommutierungskontakte derart steuerbar zu wählen. Die Erfindung erfordert es nicht, einen besonderen Steuerbaustein einzusetzen. Denn die in der Regel zur Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors eingesetzten Steuerbausteine besitzen die Funktionalität, die Kontakte wechsel¬ weise als Ein- oder als Ausgang zu konfigurieren. Zweckmäßigerweise ist der wenigstens eine Kommutierungskon¬ takt, welcher wechselweise als Ein- oder als Ausgang konfigu¬ rierbar ist, über einen Widerstand mit dem PWM-Kontakt ver- bunden. Hierdurch kann ein gegebenenfalls für den Steuerbaustein schädlicher Stromfluss zwischen den Kontakten vermieden werden. Bei den herkömmlichen Steuerbausteinen empfiehlt es sich, hierfür einen Widerstand der Größenordnung von einigen 10 Kiloohm [kΩ] einzusetzen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind alle Kommutierungskontakte wechselweise als Ein- und Ausgänge steuerbar ausgestaltet und mit einem PWM-Kontakt elektrisch verbunden. Mit dieser Ausgestaltung wird für jedes Kommutie- rungssignal und damit für jeden zu bestromenden Wicklungs¬ strang des Elektromotors die Zahl der Ansteuermöglichkeiten erhöht. Selbstverständlich können hierzu auch mehrere PWM- Kontakte eingesetzt sein, die jeweils mit den zugeordneten Kommutierungskontakten elektrisch verbunden sind.
In einer besonders günstigen Variante der Erfindung sind alle Kommutierungskontakte wechselweise als Ein- und Ausgänge steuerbar und jeweils mit einem einzigen PWM-Kontakt verbunden. Hierdurch wird es möglich, mit einem günstigen Steuer- baustein, der nur einen einzigen PWM-Kontakt aufweist, die Motorklemmen bzw. die Wicklungsstränge eines bürstenlosen Elektromotors gegenüber einer herkömmlichen Schaltungsanord¬ nung mit einer verbesserten Funktionalität anzusteuern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein PWM-Kontakt über eine Serienschaltung eines Widerstands und einer Kapazität mit einem Grundpotenzial, insbe¬ sondere mit Masse, verbunden, wobei ein weiterer als Ein- und als Ausgang steuerbarer Kontakt des Steuerbausteins zwischen dem Widerstand und der Kapazität angeschlossen ist, und wobei zwischen Widerstand und Kapazität ein Spannungssignal abgreifbar ist. Eine derartige zusätzliche Beschaltung des PWM-Kontakts er¬ möglicht ohne Einsatz eines Digital/Analog-Konverters die Er¬ zeugung einer analogen Vergleichsspannung. Hierzu werden die mit dem PWM-Kontakt verbundenen Kommutierungskontakte jeweils als Eingänge konfiguriert. Wird der weitere als Ein- und als Ausgang steuerbare Kontakt als Eingang definiert, so kann zwischen Widerstand und Kapazität eine analoge Spannung abge¬ griffen werden, deren Höhe sich über die PWM-Taktung einstellen lässt. Der weitere als Ein- und als Ausgang steuerbare Kontakt wirkt hierbei gewissermaßen als Schalter. Ist er als Ausgang konfiguriert, so entsteht als Ausgangssignal ein dau¬ erhaftes Signal entweder auf dem Pegel HIGH oder auf dem Pe¬ gel LOW. Durch den Einsatz des PWM-Signales wird eine fein¬ stufige Einstellung der analogen Spannung ermöglicht. Die Vergleichsspannung kann beispielsweise erzeugt werden, wenn unabhängige Betriebsbereiche des Elektromotors existieren, bei denen das PWM-Signal nicht zur Bestromungssteuerung benötigt wird. Dies ist beispielsweise in Bestromungslücken oder bei einer dauerhaften Bestromung eines Wicklungsstranges der Fall.
Zur Ansteuerung eines Elektromotors sind die Kommutie¬ rungskontakte zweckmäßigerweise über einen Treiberbaustein mit einem von einem Gleichspannungskreis oder Zwischenkreis gespeisten, insbesondere PWM-steuerbaren Umrichter verbunden. Dabei transferiert der Treiberbaustein die Steuersignale des Steuerbausteins in entsprechende Leistungssignale, die die Schaltelemente des Umrichters ansteuern.
Als ein PWM-Umrichter weist dieser insbesondere für eine Mo¬ torzuleitung jeweils zwei steuerbare Schaltelemente, wie bei¬ spielsweise MOSFET' s oder IGBT' s auf, die in Serie zwischen die Zuleitung und die Rückleitung des Gleichspannungszwischenkreises geschaltet sind, wobei die Schaltelemente je- weils über eine Steuerleitung des Treiberbausteins an die
Steuersignale, insbesondere an die Kommutierungskontakte, an¬ gebunden sind. Da bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik - wie eingangs erwähnt - die HIGHSIDE- Schaltelemente des Umrichters nicht unabhängig von den LOWSIDE-Schaltelementen steuerbar sind, wird meist nur das jeweilige HIGHSIDE-Schaltelement PWM-getaktet , während das
LOWSIDE-Schaltelement entweder geöffnet oder geschlossen ist. Eine solche Beschaltung bzw. Ansteuerung führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Verlustleistung. So überwiegen in den HIGHSIDE-Schaltelementen Schaltverluste und in den LOWSIDE- Schaltelementen Leitungsverluste. Werden dagegen beide
Schaltelemente PWM-getaktet, was die vorbeschriebene neue Schaltungsanordnung ermöglicht, so ist die Verlustleistung gleich verteilt. Damit sinkt die Maximalbelastung im PWM- Betrieb .
Insbesondere ermöglicht die Erfindung Kommutierungszustände, die bisher nicht angesteuert werden konnten. Beispielsweise war es bislang bei Verwendung eines Steuerbausteins mit le¬ diglich einem PWM-Kontakt nicht möglich, eine Motorklemme auf die Zuleitung des Zwischenkreises und eine Motorklemme auf die Rückleitung des Zwischenkreises zu schalten sowie eine weitere Motorklemme beispielsweise mit einem Tastverhältnis von 90% der Spannung des Zwischenkreises anzusteuern.
Weiter bietet die Erfindung die Möglichkeit, zum Erreichen einer vorgegebenen Spannung zwischen den Motorklemmen das entsprechende HIGHSIDE-Schaltelement mit einem Tastverhältnis von 100% und das entsprechende LOWSIDE-Schaltelement mit ei¬ nem gewünschten Tastverhältnis durch Nutzung des PWM-Signals anzusteuern. Während bei einer vorgegebenen Beschaltung der herkömmlichen Art, wobei beispielsweise nur das HIGHSIDE- Schaltelement angesteuert wurde, zum Erreichen einer Spannung zwischen zwei Motorklemmen von 60% der Spannung des Zwischenkreises das HIGHSIDE-Schaltelement mit einem Tastverhältnis von 60% PWM-getaktet werden musste, während ein LOWSIDE- Schaltelement dauerhaft geöffnet war, ist es mit der Erfin¬ dung wahlweise auch möglich, das HIGHSIDE-Schaltelement mit einem Tastverhältnis von 100% (Steuersignal weist den Pegel HIGH auf) und das LOWSIDE-Schaltelement mit einem Tastver¬ hältnis von 40% PWM-gesteuert zu betreiben. Für den derart angesteuerten Elektromotor macht sich die hieraus resultierende Potenzialverschiebung nicht bemerkbar, da der Motor- ström und damit die Leistung alleine durch die Potenzialdif¬ ferenz zwischen den Motorklemmen getrieben ist, die in beiden Fällen gleich bleibt. Jedoch wird - wie oben erwähnt - durch die geänderte Steuerung die Verlustleistung der Motorsteuerung bezüglich Leitungs- und Schaltverlusten symmetrisiert . Somit können kostengünstigere Bauteile wie Leistungshalblei¬ ter oder Dioden verwendet werden bzw. erhöht sich durch die jeweilige verringerte Belastung deren Lebensdauer.
Die Erfindung kann weiter dazu benutzt werden, eine Positi- onsbestimmung des Elektromotors zu dessen Regelung bzw. Steuerung vorzunehmen. Wird nämlich der Elektromotor zum Erreichen hoher Drehzahlen derart betrieben, dass die Block- Kommutierung der elektromotorischen Kraft (kurz EMK), d. h. der in den Wicklungssträngen induzierten Spannung voraneilt, so kann eine Positionsbestimmung nicht mehr durch Erfassung des Nulldurchgangs der EMK ermittelt werden. Zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der EMK startet nämlich bereits die Bestromung des entsprechenden Wicklungsstranges, so dass die induzierte Spannung als solche nicht mehr erfasst werden kann. Um dennoch eine Positionsbestimmung vornehmen zu können, ist die EMK an einer Stelle ungleich des Nulldurchganges zu messen. Hierzu wird es notwendig, eine Vergleichsspannung heranzuziehen, die mittels eines Komparators mit dem gemesse¬ nen Spannungswert der EMK verglichen wird. Diese Spannung kann mittels des PWM-Kontaktes des Steuerbausteins - wie oben beschrieben - erzeugt werden, indem das PWM-Signal an ein RC- Glied geleitet wird. Die Vergleichsspannung resultiert dabei aus dem vorgegebenen Tastverhältnis des PWM-Signals.
Da bei hoher Drehgeschwindigkeit das Tastverhältnis während der Block-Kommutierung bei 100% liegt, kann während dieser Zeit der jeweilige Kommutierungskontakt des Steuerbausteins als Ausgang konfiguriert werden. Dies erlaubt es, das PWM- Signal zur Generierung des Vergleichssignals heranzuziehen und mittels des Vergleichssignals eine Positionsbestimmung durch Messung des Wertes der EMK vorzunehmen. Auf einen Digi- tal/Analog-Konverter kann verzichtet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 eine Schaltungsanordnung, bei der ein PWM-Kontakt jeweils über Widerstände mit Kommutierungskontakten verbunden ist,
FIG 2 eine Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik, FIG 3 eine Schaltungsanordnung gemäß FIG 1, wobei der
PWM-Kontakt zusätzlich mit einem RC-Glied verbunden ist und
FIG 4 eine Schaltungsanordnung analog FIG 3, die an einen
Treiberbaustein zur Ansteuerung eines Elektromotors mittels eines Umrichters angeschlossen ist.
In FIG 1 ist eine Schaltungsanordnung 1 zur Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors (nicht dargestellt) gezeigt. Die Schaltungsanordnung 1 weist hierbei einen Steuerbaustein 2 in Gestalt eines Mikrokontrollers auf, der eine Anzahl von kon¬ figurierbaren Kontakten 4 enthält. Zumindest ein Teil dieser Kontakte 4 ist wechselweise als Ein- und als Ausgang konfigu¬ rierbar .
Zur Ansteuerung des Elektromotors weist der Steuerbaustein 2 insbesondere drei Kommutierungskontakte 5, 6 und 7 auf, die ebenfalls jeweils sowohl als Ein- als auch als Ausgänge kon¬ figurierbar sind. Die drei Kommutierungskontakte 5, 6 und 7 erzeugen jeweils ein Kommutierungssignal, welches zur Steue¬ rung der Spannungsversorgung jeweils einer Motorklemme eines bipolaren dreiphasigen Elektromotors verwendet werden kann. Die Ausgangssignale der drei Kommutierungskontakte 5,6,7 kön¬ nen insbesondere zur Ansteuerung der jeweiligen HIGHSIDE- Schaltelemente eines von einem Zwischenkreis gespeisten Um¬ richters genutzt werden. Weiter weist der Steuerbaustein 2 einen PWM-Kontakt 8 auf, der ein konfigurierbares PWM-Signal zur PWM-Taktung der ange¬ steuerten Schaltelemente dient. Durch die PWM-Taktung mit ei- nem entsprechenden Tastverhältnis wird das an den Motorklemmen jeweils anliegende Potential variiert, wodurch letztlich die über die Wicklungsstränge des Elektromotors jeweils ab¬ fallende Strangspannung und somit die Strangbestromung eingestellt wird.
Zur Nutzung des PWM-Signals des einzigen PWM-Kontaktes 8 ist dieser über die Widerstände 14,15,16 jeweils mit den Kommu¬ tierungskontakten 5,6 und 7 elektrisch kontaktiert. Über die Verbindungsleitungen 10,11 und 12 sind die hieraus resultie- renden Steuersignale für die Schaltelemente des Umrichters abgreifbar .
Mit einem digitalen Kommutierungssignal und einem digitalen PWM-Signal können somit für jedes Steuersignal in den Verbin- dungsleitungen 10,11 und 12 drei Zustände erzeugt werden. So wird ohne Ausnutzung des PWM-Signales durch Konfigurieren des jeweiligen Kommutierungskontaktes 5,6 bzw. 7 ein Steuersignal mit einem Pegel von HIGH oder von LOW erzeugt. Der Kommutie¬ rungsausgang dominiert. Wird der jeweilige Kommutierungskon- takt 5,6 bzw. 7 dagegen als Eingang konfiguriert, so domi¬ niert das ausgegebene PWM-Signal, so dass das entsprechende Schaltelement des Umrichters PWM-getaktet werden kann.
In FIG 2 ist demgegenüber eine Schaltungsanordnung 20 gemäß Stand der Technik dargestellt. Die Schaltungsanordnung 20 gemäß FIG 2 umfasst hierbei den gleichen Steuerbaustein 2 wie die Schaltungsanordnung 1 gemäß FIG 1. Jedoch ist zur Ansteuerung hierbei die wechselweise Konfigurierbarkeit der Kontak¬ te 4 bzw. der Kontakte 5,6 und 7 als Ein- und als Ausgänge nicht berücksichtigt. Das für die Schaltelemente über die Verbindungsleitungen 10,11 und 12 abgreifbare Steuersignal wird stattdessen durch eine logische Verknüpfung zwischen dem PWM-Signal des PWM-Kontaktes 8 und den jeweiligen Kommutie- rungssignalen der Kommutierungskontakte 5,6 und 7 erzeugt. Hierzu sind das PWM-Signal und die jeweiligen Kommutierungs¬ signale jeweils über einen Logikbaustein 21,22 bzw. 23 verknüpft. In diesem Fall handelt es sich bei den Logikbaustei- nen 21,22 und 23 jeweils um ein ODER-Gatter.
Liegt das Kommutierungssignal der jeweiligen Kommutie¬ rungskontakte 5,6 und 7 auf dem Pegel LOW, so entspricht das jeweilige Steuersignal dem PWM-Signal des PWM-Kontaktes 8. Liegt das Kommutierungssignal auf dem Pegel HIGH, so wird das jeweilige Steuersignal ebenfalls auf den Pegel HIGH gezogen. Eine dauerhafte Erzeugung eines Steuersignales mit dem Pegel LOW ist nicht möglich.
Um somit einen bipolaren dreiphasigen Elektromotor ansteuern zu können, werden die HIGHSIDE-Schaltelemente eines Umrich¬ ters mittels Steuersignalen aus den Verbindungsleitungen 10,11 und 12 wie dargestellt versorgt, die über ein ODER- Gatter mit dem PWM-Signal logisch verknüpft sind. Die jewei- ligen LOWSIDE-Schaltelemente des Umrichters werden entspre¬ chend durch logische Verknüpfung weiterer Kommutierungssigna¬ le mit dem PWM-Signal unter Zuhilfenahme eines UND-Gatters erzeugt .
Es ist ersichtlich, dass die Schaltungsanordnung 1 gemäß FIG 1 mehr Möglichkeiten zur Ansteuerung des Elektromotors bietet als die Schaltungsanordnung 20 gemäß FIG 2.
In FIG 3 ist eine Schaltungsanordnung 1 gemäß FIG 1 darge- stellt, wobei zusätzlich der PWM-Kontakt 8 mit einem RC-Glied kontaktiert ist. Das RC-Glied umfasst hierbei einen Wider¬ stand 27, der in Serie mit einem Kondensator bzw. einer Kapazität 28 geschaltet ist. Die Kapazität 28 ist mit Masse 30 verbunden .
Werden die Kommutierungsausgänge 5,6 und 7 jeweils als Ein¬ gänge definiert, so kann über die Verbindungsleitung 31 am RC-Glied eine analoge Spannung abgegriffen werden, deren Höhe von dem Tastverhältnis des PWM-Signales, welches am PWM- Kontakt 8 erzeugt wird, abhängig ist.
Über den weiteren Kontakt 26, der ebenfalls wechselweise als Ein- und als Ausgang konfigurierbar ist, kann die erzeugte Analogspannung ein- bzw. ausgeschaltet werden. Ist der Kontakt 26 als Ausgang definiert, so kann über die Verbindungs¬ leitung 31 entweder der Pegel HIGH oder der Pegel LOW abgegriffen werden. Bei einer Konfigurierung des Kontaktes 26 als Eingang kann hingegen die erzeugte Analogspannung abgegriffen werden .
Die auf diese Art und Weise mittels PWM-Taktung unter Nutzung des PWM-Kontaktes 8 erzeugte Analogspannung wird insbesondere - wie bereits erwähnt - zur Positionsbestimmung des Elektro¬ motors durch Messung der in den Wicklungssträngen generierten Induktionsspannung verwendet. Insbesondere ist dies der Fall, wenn bei hohen Drehzahlen die jeweiligen Schaltelemente des Umrichters ohne PWM-Taktung angesteuert werden und die Block- Kommutierung der EMK vorauseilt. Dann wird die EMK in den
Stromlücken der Block-Kommutierung an einer Stelle außerhalb des Nulldurchgangs gemessen, indem der Wert der Induktions¬ spannung mit der erzeugten Vergleichsspannung verglichen wird.
FIG 4 zeigt den Steuerbaustein 2, dessen Steuersignale mittels eines Treiberbausteins 34 zur Ansteuerung der Schaltele¬ mente eines Umrichters 35 umgesetzt und somit zur Ansteuerung eines elektrischen Motors 37 verwendet werden.
Man erkennt wie in den FIG 1 und 3 die Kommutierungskontakte 5,6 und 7 sowie den PWM-Kontakt 8 des Steuerbausteins 2. Die Kommutierungskontakte 5, 6 und 7 werden zur Ansteuerung der HIGHSIDE-Schaltelemente des Umrichters 35 eingesetzt. Hierzu sind die Kommutierungskontakte 5, 6 und 7 jeweils über die Wi¬ derstände 14,15 bzw. 16 mit dem PWM-Kontakt 8 elektrisch ver¬ bunden . Weiter weist der Treiberbaustein 2 zusätzliche Kommutie¬ rungskontakte 5 x , 6 x und 7 x auf, die zur Ansteuerung der LOWSIDE-Schaltelemente des Umrichters 35 eingesetzt werden. Um das entsprechende Steuersignal für die LOWSIDE- Schaltelemente des Umrichters 35 zu erzeugen, sind die Kommu¬ tierungskontakte 5 x , 6 x und 7 x ebenfalls über die Widerstände 14\15X und 16 x elektrisch mit dem PWM-Kontakt 8 des Steuer¬ bausteins 2 verbunden.
Der Elektromotor 37 ist ein bipolarer, dreiphasiger Elektromotor mit drei Wicklungssträngen, die im Stern geschaltet sind. Die hieraus resultierenden drei Motorklemmen sind je¬ weils über die HIGHSIDE- bzw. die LOWSIDE-Schaltelemente des Umrichters 35 abwechselnd mit dem hohen und dem niedrigen Po- tenzial eines Zwischenkreises schaltbar, über den der Umrich¬ ter 35 gespeist wird. Somit wird über entsprechende Beschal- tung der Schaltelemente die Bestromung der Wicklungsstränge derart ermöglicht, dass ein rotierendes Magnetfeld aufgebaut wird, von welchem ein Läufer mit Permanentmagnet mitgenommen wird.
Der Treiberbaustein 2 gemäß FIG 4 ist derart konfiguriert, dass zum Steuern des Elektromotors 37 sowohl die HIGSIDE- als auch die LOWSIDE-Schaltelemente des Umrichters 35 PWM- getaktet werden. Die Schaltungsanordnung gemäß FIG 4 bietet die Möglichkeit, abhängig vom jeweils gewünschten Betriebsbe¬ reich den Elektromotor 37 unterschiedlich anzusteuern. So ist es natürlich auch möglich, nur die HIGHSIDE-Schaltelemente durch PWM-Taktung anzusteuern, während die LOWSIDE- Schaltelemente lediglich geöffnet bzw. geschlossen werden. Dieser Betriebsbereich ist beispielsweise notwendig, da im Falle der Verwendung einer Bootestrap-Schaltung ein Betriebsbereich mit wechselweiser Taktung der HIGHSIDE- und der LOWSIDE-Schaltelemente nicht zulässig ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, im Falle eines verbotenen Betriebsberei¬ ches zur Taktung der HIGHSIDE-Schaltelemente nur die LOWSIDE- Schaltelemente durch PWM-Taktung anzusteuern. Die Belastung der Schaltelemente und gegebenenfalls Kondensa¬ toren ist am höchsten und die elektromagnetische Verträglich¬ keit am schlechtesten, wenn das Tastverhältnis des PWM- Signals nahe 100% ist. Statt konstant mit beispielsweise ei- nem Tastverhältnis von 95% zu kommutieren, kann der Elektro¬ motor 37 auch derart angesteuert werden, dass zwischen PWM- Betrieb (mit einem Tastverhältnis von z.B. 90%) und Nicht- PWM-Betrieb gewechselt wird. Eine gleichmäßige Verlustleis¬ tungsaufteilung kann auch hier erreicht werden, indem man al- ternierend während eines Zyklus nur die HIGHSIDE- oder nur die LOWSIDE-Schaltelemente taktet.
Schließlich ist es auch möglich, den Elektromotor 37 derart anzusteuern, dass insgesamt betrachtet zur gleichen Zeit Wicklungsstränge mit der Zuleitung und Wicklungsstränge mit der Rückleitung des Umrichters verbunden sind sowie Wicklungsstränge PWM-getaktet werden. Dabei muss der PWM-Betrieb nicht zu Beginn eines Kommutierungsblockes stehen. Hierdurch können beispielsweise die elektromagnetische Verträglichkeit, die Stromwelligkeit oder der Wirkungsgrad günstig beeinflusst werden .
Schließlich kann auch ein Betriebsbereich gefahren werden, indem das PWM-Signal nicht mehr für die Kommutierung verwen- det wird. Hierbei werden die einzelnen Schaltelemente des Um¬ richters entweder ein- oder ausgeschaltet. In diesem Fall kann das PWM-Signal für andere Zwecke, wie insbesondere zur Erzeugung eines analogen Vergleichsspannungssignals einge¬ setzt werden. Hierzu ist das RC-Glied, bestehend aus dem Wi- derstand 27 und der Kapazität 28, vorgesehen. Über den Kontakt 26 wird die am RC-Glied abgreifbare Vergleichsspannung ein- bzw. ausgeschaltet. Die Vergleichsspannung steht der Positionserkennung 39 zur Verfügung, die den Wert der erzeugten Vergleichsspannung zur Messung der in den Wicklungssträngen erzeugten Induktionsspannung heranzieht. Über die Höhe der Vergleichsspannung kann dabei der Zeitpunkt der Messung beeinflusst werden. Somit kann die induzierte Spannung auch an Stellen außerhalb des Nulldurchgangs bestimmt werden, was bei Einstellung eines positiven Zündwinkels notwendig wird.
Das Ausgangssignal der Positionserkennung 39 wird wiederum dem Steuerbaustein 2 zugeleitet, so dass der Elektromotor phasengerecht angesteuert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung (1) zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors (37), mit einem Steuerbaustein (2), insbe- sondere einem MikroController, der eine Anzahl von PWM- Kontakten (8), über die ein PWM-Signal ausgebbar ist, und eine Anzahl von Kommutierungskontakten (5, 5 ' , 6, 6 ' , 7, 7 ' ) , über die ein Kommutierungssignal aus¬ gebbar ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kommutie¬ rungskontakt (5, 5 ' , 6, 6 ' , 7, 7 ' ) wechselweise als Ein- und Ausgang steuerbar ist, dass der wenigstens eine Kommu¬ tierungskontakt (5, 5 ' , 6, 6 ' , 7, 7 ' ) ausgangsseitig mit ei¬ nem PWM-Kontakt (8) elektrisch verbunden ist, und dass der derart verbundene Kommutierungskontakt
(5, 5 ' , 6, 6 ' , 7, 7 ' ) zum Abgriff eines Steuersignals kontak- tierbar ist.
2. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kommu¬ tierungskontakt (5, 5 ' , 6, 6 ' , 7, 7 ' ) über einen Widerstand (14, 15, 16) mit dem PWM-Kontakt (8) elektrisch verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kommutierungskontakte (5, 5 ' , 6, 6 ' , 7, 7 ' ) wechselweise als Ein- und Ausgänge steuerbar sind und mit einem PWM-Kontakt (8) elektrisch verbunden sind.
4. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner PWM-Kontakt (8) vorhanden ist, mit dem die Kommutierungskontakte (5, 5 ' , 6, 6 ' , 7, 7 ' ) jeweils verbunden sind.
5. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein PWM-Kontakt (8) über eine Serienschaltung eines Widerstands (27) und einer Kapazität (28) mit dem Grundpotential, insbesondere Mas¬ se (30), verbunden ist, dass ein weiterer als Ein- und als Ausgang steuerbarer Kontakt (26) des Steuerbausteins (2) zwischen dem Widerstand (27) und der Kapazität (28) angeschlossen ist, und dass zwischen Widerstand (27) und Kapazität (28) ein Spannungssignal abgreifbar ist.
6. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungskontakte (5, 5 ' , 6, 6 ' , 7, 7 ' ) über einen Treiberbaustein (34) mit einem von einem Zwischenkreis gespeisten Umrichter (35) verbunden sind.
7. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (35) für eine Motorzuleitung jeweils zwei steuerbare Schaltelemente, insbesondere MOSFET 's oder IGBT 's, aufweist, die in Se¬ rie zwischen die Zuleitung und die Rückleitung des Zwischenkreises geschaltet sind, und dass die Schaltelemen¬ te jeweils über eine Steuerleitung des Treiberbausteins (34) an die Steuersignale angebunden sind.
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