WO2017182177A1 - Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen gleichstrommotor - Google Patents

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WO2017182177A1
WO2017182177A1 PCT/EP2017/054199 EP2017054199W WO2017182177A1 WO 2017182177 A1 WO2017182177 A1 WO 2017182177A1 EP 2017054199 W EP2017054199 W EP 2017054199W WO 2017182177 A1 WO2017182177 A1 WO 2017182177A1
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motor
evaluation
control unit
coil
detection
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PCT/EP2017/054199
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Wolfgang Welsch
Mathias Kimmerle
Oliver Krayl
Stefan Leidich
Klaus Lerchenmueller
Remigius Has
Oliver Fuchs
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/2006—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils
    • G01D5/202—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils by movable a non-ferromagnetic conductive element
    • G—PHYSICS
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • 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
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position

Definitions

  • Motor control electronics for a brushless DC motor The invention is based on a motor control electronics for a brushless
  • Motor control electronics for brushless DC motors are known from the prior art, which comprises a stator, a rotor and a motor shaft connected to the rotor. Such engine control electronics generates for controlling an output stage of the DC motor, which is designed for example as a B6 bridge, synchronized with the motor rotation timing scheme for pulse width modulation (PWM) of the power amplifier.
  • the motors are usually equipped with a rotor position sensor.
  • a sensor arrangement is used which comprises a bipolar magnet mounted on the end of a motor shaft and an oppositely arranged magnetic field sensor for detecting the vectorial orientation of the magnetic field.
  • This known solution has a high sensitivity to motor currents and external magnetic fields and causes added costs for the magnet and the magnetic field sensor.
  • a free shaft end is mandatory for mounting the magnet.
  • a steering angle sensor for detecting the rotation angle or a rotation angle change of the steering wheel of a motor vehicle is known in which by means of an electromechanical component of the rotation angle or a rotation angle dependent electrical signal can be generated.
  • a non-contact steering angle sensor consists of a, attached to the end of a steering shaft permanent magnet whose magnetization axis is perpendicular to the axis of the steering shaft.
  • permanent Magnets In the area of permanent Magnets is a magnetic field-sensitive sensor, which preferably consists of Hall elements in discrete or integrated form.
  • EP 2 533 019 A2 discloses an inductive angle sensor for an electric motor.
  • the inductive angle sensor comprises a first induction coil, which is fixedly mounted on a rotor shaft of the electric motor, and a second inductive coil arranged at a distance from the first induction coil.
  • An evaluation circuit is connected to the second induction coil and determines by evaluating a magnetic field induced between the first and the second induction coil a current angle of rotation of the rotor shaft of the electric motor.
  • the inductive angle sensor requires a complex evaluation circuit, the coupling factors between the two
  • the motor control electronics according to the invention for a brushless DC motor with the features of independent claim 1 has the advantage that the detection of the rotor position or the determination of a current rotation angle of the rotor using a sensor arrangement based on the eddy current principle.
  • the sensor arrangement comprises at least one detection coil and primary electronics, which perform the signal detection and signal processing within the motor control electronics, which also drives the brushless DC motor.
  • the essence of the invention is the double use of a part of the engine control electronics, which includes electrical and / or electronic circuits and an evaluation and control unit for engine control, by shifting the calculation of the current rotation angle of the rotor in the evaluation and control unit of the engine control, to determine the rotor position in a particularly cost-effective manner.
  • the safety concept is also simplified considerably by shifting the calculation into the already well-secured evaluation and control unit of the engine control electronics.
  • the evaluation and control unit can be understood as meaning an electrical device, such as a control unit, in particular an engine control unit, which processes or evaluates detected sensor signals.
  • the evaluation and control unit may have at least one interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the evaluation and control unit.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • a computer program product with program code which is stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the evaluation when the program is executed by the evaluation and control unit.
  • Embodiments of the present invention provide a motor control electronics for a brushless DC motor comprising a stator, a rotor, and a motor shaft connected to the rotor.
  • the motor control electronics has an evaluation and control unit, which generates control signals synchronized with the motor rotation for the brushless DC motor, and a sensor arrangement for contactless rotor position detection, which comprises a rotating with the motor shaft transmitter and at least one transducer, which cooperates with the transmitter and at least one Information generated to determine a current angle of rotation of the rotor.
  • the senor is designed as a disc-shaped target with at least one metal surface
  • the transducer is designed as a coil arrangement with at least one detection coil, wherein the at least one metal surface of the target by eddy current effects, the inductance of the at least one detection coil changes depending on the degree of coverage.
  • Primary electronics of the sensor Order the changing inductance of the at least one detection coil converts into a corresponding frequency signal and makes it available to the evaluation and control unit.
  • the evaluation and control unit calculates from the at least one frequency signal the current angle of rotation of the rotor.
  • the primary electronics, the coil arrangement and the evaluation and control unit can be arranged on a common circuit board.
  • the evaluation and control unit, the Anêtsig- signals create an output stage and at least one lead to the DC motor
  • the power amplifier can also be arranged on the common circuit board.
  • the power amplifier is connected via several leads to the DC motor to operate it.
  • the coil arrangement and the primary electronics can be advantageously integrated into the board design of the printed circuit board of the motor control electronics and positioned such that the at least one detection coil is arranged opposite the target.
  • the components of the primary electronics may be positioned on the back side of the sensor array design.
  • the power amplifier used for operating the DC motor preferably designed as a B6 bridge amplifier can also be integrated into the board design of the printed circuit board of the engine control electronics.
  • the evaluation and control unit can drive the transistors of the output stage, receive the frequency signals of the primary electronics and calculate the rotor position and the current angle of rotation of the rotor based on the frequency signals.
  • the primary electronics may comprise at least one activatable oscillator, which comprises at least one capacitor and a measuring inductance, which represents at least one detection coil.
  • an activated oscillator can generate and output the frequency signal for the corresponding measuring inductance.
  • the evaluation and control unit can activate the at least one oscillator via corresponding control signals.
  • several oscillators can be activated in predetermined time windows in succession. But it is also a parallel operation of the oscillators possible if it is ensured a sufficient distance of the oscillator frequencies.
  • the frequency signals can be supplied to the evaluation and control unit via corresponding counter inputs.
  • a counter module then counts the periods of the frequency signals within a defined period of time. The number of periods is proportional to the frequency of the associated oscillator.
  • other suitable methods can be used to evaluate the frequency signals or measurement signals. Thus, for example, with an oscillator with higher frequency, the period of the frequency signal or measurement signal can be determined. The period of the frequency signal or measurement signal then corresponds to the defined period of time. There are also combined evaluation possible.
  • the frequency signal or measurement signal can be divided, for example, by a counter and then measured with another oscillator.
  • the target can be flange-mounted at the end of the motor shaft, so that the target is arranged in this embodiment so that it at least partially covers the at least one detection coil of the coil arrangement.
  • the target may have an opening and be pushed onto the motor shaft and fixed so as to at least partially cover the at least one detection coil of the coil arrangement.
  • the motor shaft can be continued through a hole in the circuit board.
  • the at least one detection coil and / or the at least one metal surface can each be designed as uniform circular segments and / or circular ring segments with a predetermined opening angle.
  • the coil arrangement may comprise six flat detection coils, which are distributed uniformly around the circumference of a circle.
  • the target can For example, four evenly distributed on the circumference of a circle arranged metal surfaces.
  • the evaluation and control unit can generate three phase-shifted essentially sinusoidal coil signals from the inductance changes of the six detection coils caused by the rotational movement of the target and evaluate them in a uniqueness range of 90 ° for calculating the rotation angle.
  • the primary electronics can each summarize two detection coils in an electrical series circuit for measuring inductance and output the corresponding frequency signal, wherein the two combined detection coils have an opposite sense of winding and are arranged opposite each other on the circumference of the circle.
  • the evaluation and control unit can then generate three phase-shifted essentially sinusoidal coil signals from the inductance changes of the three combined measuring inductances caused by the rotational movement of the target and evaluate them in a uniqueness range of 90 ° for calculating the rotation angle.
  • the evaluation and control unit individually evaluate all detection coils and then generate the three phase-shifted substantially sinusoidal coil signals by averaging of frequency signals of two detection coils, which are arranged opposite each other on the circumference of the circle.
  • a non-ideal alignment of the target and of the coil arrangement which is caused, for example, by a tilt about an axis in the display plane, can be compensated to a first approximation by averaging the frequency signals from opposite detection coils.
  • opposite detection coils By electrically connected in series, opposite detection coils, the number of components can be further reduced in an advantageous manner.
  • the coupling of external interference signals can be reduced by the opposite direction winding of the combined detection coils.
  • the coil arrangement may comprise three flat detection coils, which are arranged distributed uniformly on the circumference of a circle, and the target may have two diametrically opposite arranged on the circumference of a circle. have talldale. From the inductance changes of the three detection coils caused by the rotational movement of the target, the evaluation and control unit can generate three phase-shifted substantially sinusoidal coil signals and evaluate them to calculate the rotation angle in a uniqueness range of 180 °.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a brushless DC motor with an embodiment of a motor control electronics according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of an exemplary embodiment of an activatable oscillator for the motor control electronics according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a first exemplary embodiment of a sensor arrangement for contactless rotor position detection for the motor control electronics according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of a second exemplary embodiment of a sensor arrangement for contactless rotor position detection for the motor control electronics according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 5 shows the second exemplary embodiment of the sensor arrangement for contactless rotor position detection from FIG. 4 without metal surfaces.
  • FIG. 6 shows a characteristic diagram of coil signals which the evaluation and control unit has generated from the frequency signals output by the sensor arrangement for contactless rotor position detection.
  • a motor control electronics 1 for a brushless DC motor 20, which comprises a stator 22, a rotor 24 and a motor shaft 26 connected to the rotor 24, comprises an evaluation and
  • Control unit 5 which generates synchronized with the motor rotation control signals for the brushless DC motor 20, and a sensor arrangement 10 for contactless rotor position detection, which comprises a rotating with the motor shaft 26 transmitter and at least one transducer, which cooperates with the transmitter and at least one information to Determining a current angle of rotation of the rotor 24 generated.
  • the sensor is designed as a disk-shaped target 12, 12A with at least one metal surface 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4, and the transducer is a coil assembly 14, 14A with at least one detection coil 14.1, 14.1A, 14.2 , 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6.
  • the at least one metal surface 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 of the target 12, 12A changes the inductance of the at least one detection coil 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5 by eddy current effects. 14.6 as a function of the degree of coverage of the at least one metal surface 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 of the target 12, 12A and the at least one
  • a primary electronics 16 of the sensor arrangement 10 converts the changing inductance of the at least one detection coil 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 into a corresponding frequency signal Ol, 02, 03, 04, 05, 06 and makes it the evaluation and control unit 5 available.
  • the evaluation and control unit 5 calculates from the at least one frequency signal Ol, 02, 03, 04, 05, 06, the current rotational angle of the rotor 24th
  • the primary electronics 16, the coil arrangement 14, 14A and the evaluation and control unit 5 are arranged on a common printed circuit board 3. Furthermore, the evaluation and control unit 5 applies the control signals to the DC motor 20 via an output stage 7 and at least one supply line 9.
  • the output stage 7 is formed in the illustrated embodiment as a B6 bridge and also arranged on the common printed circuit board 3.
  • the primary electronics 16 comprises at least one activatable oscillator 16.1. As can also be seen from FIG. 2, such an activatable oscillator comprises at least one capacitor Ci, C2 and a measuring inductance I_M, which comprises at least one of the detection coils 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4,
  • An activated oscillator 16.1 generates the frequency signal O1, O2, 03, 04, 05, 06 for the corresponding measuring inductance I_M and outputs it.
  • the evaluation and control unit 5 activates the at least one oscillator 16.1 via corresponding control signals S1, S2, S3.
  • the oscillator 16.1 thus consists for each measuring inductance of two N AN D gates NAND1, NAND2, of which a first N AN D gate NAND1 acts as a gate when a corresponding control signal Sl, S2, S3, S4, S5, S6 is applied, two capacitors Ci, C2 and a resistor R and can be implemented very inexpensively.
  • a second N AN D gate NAND2 acts as an inverter for the frequency signal O1, O2, 03, 04, 05, 06, to whose enable input an operating voltage UB is applied.
  • the target 12, 12A is flanged at the end of the motor shaft 26 in the illustrated embodiment.
  • the target 12, 12 A may have an opening and be pushed onto the motor shaft 26.
  • the motor shaft 26 can be continued through a hole in the circuit board 3 to the left.
  • the coil arrangement 14, 14A and the target 12, 12A are positioned so that the at least one detection coil 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4,
  • the primary electronics 16 on the back of the coil assembly 14, 14 A and the circuit board 3 is arranged.
  • the at least one detection coil 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 and / or the at least one metal surface 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 are each designed as uniform circular segments and / or circular ring segments with a predetermined opening angle.
  • the coil arrangement 14 in the illustrated first exemplary embodiment comprises six flat detection coils 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6, which are each designed as uniform circular ring segments with an opening angle of approximately 60 ° and evenly distributed around the circumference of a circle are arranged.
  • the partially transparent illustrated target 12 has four partially transparent metal surfaces shown 12.1, 12.2, 12.3, 12.4, which are designed as uniform circular ring segments with an opening angle of about 60 ° and evenly distributed around the circumference of a circle. Depending on the degree of coverage of the individual detection coil 14.1, 14.2, 14.3, 14.4,
  • the inductance of the associated detection coil 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 changes.
  • the oscillator 16.1 shown in FIG. 2 the inductance of the associated detection coil 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 is converted into a corresponding frequency signal 01, 02, 03, 04, 05, 06.
  • other opening angles and shapes for the detection coils 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 and metal surfaces 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 are possible.
  • Metal surfaces 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 as shown in FIG. 3 results in exactly centered orientation between the target 12 and the coil assembly 14 to a similar waveform of oppositely disposed detection coils 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6.
  • the influence can be determined by averaging the frequency signals Ol, 04; 02, 05; 03, 06 of the oppositely arranged detection coils 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 are compensated.
  • Evaluation and control unit 10 take place, which the frequency signals Ol, 02, 03, 04, 05, 06 of all detection coils 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 receives and evaluates individually.
  • the evaluation and control unit 10 then forms the frequency signals Ol, 04; 02, 05; 03, 06 of the oppositely arranged detection coils 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 respectively the middle value.
  • the primary electronics 16 each two detection coils 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 summarize in a series electrical circuit to a measuring inductance I_M and the corresponding frequency signals Ol, 02, 03 output.
  • a first and a fourth detection coil 14.1, 14.4 and a second and a fifth detection coil 14.2, 14.5 and a third and a sixth detection coil 14.3, 14.6 are each combined to form a measuring inductance I_M. Therefore, only three oscillators 16.1 are used to generate the three corresponding frequency signals Ol, 02, 03 and output to the evaluation and control unit 10.
  • the two detection coils 14.1, 14.4, which are each combined to form a measuring inductance I_M; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 have an opposite sense of winding and are arranged opposite one another on the circumference of the circle. This has the advantage that the number of components can be further reduced by reducing the measuring inductances I_M. Furthermore, the coupling of external interference signals can be reduced.
  • the evaluation and control unit 10 generates out of the induced by the rotational movement of the target 12 inductance changes of the six detection coils 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 and the three measuring inductances I_M three in Fig. 6 shown, phase-shifted substantially sinusoidal coil signals LI , L2, L3 and evaluates them to calculate the rotation angle in a uniqueness range of 90 °.
  • the characteristic curve diagram according to FIG. 6 shows the course of the frequency f of the coil signals LI, L2, L3 over the rotor angle RW.
  • the three phase-shifted coil signals LI, L2, L3 generated run virtually sinusoidally, the evaluation and control unit 10 having a first coil signal LI from the frequency signal O1 of the first and fourth detection coil 12.1, 12.4 combined measuring inductance LM generated, a second coil signal L2 from the frequency signal 02 of the second and fifth detection coil 12.2, 12.5 combined measuring inductance LM generates and a third coil signal L3 from the frequency signal 03 of the third and sixth detection coil 12.3, 12.6 combined measuring inductance LM generated.
  • a second embodiment shown in FIGS. 4 and 5 with three detection coils 14.1A, 14.2A, 14.3A and two metal surfaces 12.1A, 12.2A is possible.
  • the advantage of the second embodiment is the uniqueness of
  • the coil arrangement 14A in the illustrated second exemplary embodiment comprises three flat detection coils 14.1A, 14.2A, 14.3A, which are each designed as uniform circular ring segments with an opening angle of approximately 110 ° and uniformly distributed on the circumference a circle are arranged.
  • the target 12A has two metal surfaces 12.1A, 12.2A, which are designed as uniform circular ring segments with an opening angle of approximately 104 ° and are arranged opposite one another on the circumference of a circle.
  • the inductance of the associated detection coil 14.1A, 14.2A, 14.3A changes.
  • other opening angles and shapes for the detection coils 14.1A, 14.2A, 14.3A and metal surfaces 12.1A, 12.2A are possible.
  • three oscillators 16.1 are used to generate the three corresponding frequency signals Ol, 02, 03 and to output them to the evaluation and control unit 10, the measuring inductance I_M of the respective oscillator 16.1 being an associated detection coil
  • the evaluation and control unit 10 generates three phase-shifted substantially sinusoidal coil signals from the inductance changes of the three detection coils 14.1A, 14.2A, 14.3A or the three measuring inductances I_M caused by the rotational movement of the target 12A.
  • the waveform of these coil signals is that shown in Fig. 6
  • Coil signals LI, L2, L3 very similar. The difference only affects the scaling of the x-axis, which in this case is from 0 ° to 180 °.
  • the motor control electronics 1 with three of two detection coils 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 combined
  • the control signals S 1 to S 3 act as an enable signal at the first N AN D gate NAND 1 of the corresponding oscillator 16. 1.
  • the oscillators 16.1 can be activated one after the other in predetermined time windows. A parallel operation of the oscillators 16.1 is also possible if a sufficient distance of the oscillator resonance frequencies is taken care of.
  • the frequency signals Ol, 02, 03 are fed to the evaluation and control unit 10 at corresponding counter inputs.
  • a counter module counts the periods of the frequency signals Ol, 02, 03 within a defined period of, for example, 0.5 ms. The number of periods is proportional to the frequency of the oscillator 16.1.
  • phase-shifted coil signals LI, L2, L3 shown in FIG. 6 can be converted into a sin / cos signal by conventional calculation methods.
  • the rotor position angle is then calculated by using the arc tangent function.
  • the calculations are carried out in the evaluation and control unit 10 of the engine control electronics 1.
  • Embodiments of the invention advantageously enable the dual use of a portion of the engine control electronics, which includes electrical and / or electronic circuits and an engine control evaluation and control unit, by shifting the calculation of the current rotational angle of the rotor into the engine controller evaluation and control unit to determine the rotor position in a particularly cost-effective manner.
  • the safety concept is also simplified considerably by this shift in the calculation into the already well-protected evaluation and control unit of the engine control electronics.

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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerelektronik (1) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (20), welcher einen Stator (22), einen Rotor (24) und eine mit dem Rotor (24) verbundene Motorwelle (26) umfasst, mit einer Auswerte- und Steuereinheit (5), welche mit der Motordrehung synchronisierte Ansteuersignale für den bürstenlosen Gleichstrommotor (20) erzeugt, und einer Sensoranordnung (10) zur berührungslosen Rotorlagenerfassung, welche einen mit der Motorwelle (26) mitdrehenden Messwertgeber und mindestens einen Messwertaufnehmer umfasst, welcher mit dem Messwertgeber zusammenwirkt und mindestens eine Information zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors (24) erzeugt. Hierbei ist der Messwertgeber als scheibenförmiges Target (12, 12A) mit mindestens einer Metallfläche ausgeführt, und der Messwertaufnehmer ist als Spulenanordnung (14, 14A) mit mindestens einer Detektionsspule ausgeführt, wobei die mindestens eine Metallfläche des Targets (12, 12A) durch Wirbelstromeffekte die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule in Abhängigkeit vom Überdeckungsgrad verändert, wobei eine Primärelektronik (16) der Sensoranordnung (10) die sich ändernde Induktivität der mindestens einen Detektionsspule in ein korrespondierendes Frequenzsignal umwandelt und der Auswerte- und Steuereinheit (5) zur Verfügung stellt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (5) aus dem mindestens einen Frequenzsignal den aktuellen Drehwinkel des Rotors (24) berechnet.

Description

Beschreibung
Titel
Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor Die Erfindung geht aus von einer Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen
Gleichstrommotor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Motorsteuerelektroniken für bürstenlose Gleichstrommotoren bekannt, welcher einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Ro- tor verbundene Motorwelle umfasst. Eine solche Motorsteuerelektronik erzeugt für die Ansteuerung einer Endstufe des Gleichstrommotors, die beispielsweise als B6-Brücke ausgeführt ist, ein mit der Motordrehung synchronisiertes Taktschema zur Puls-Weiten-Modulation (PWM) der Endstufe. Zu diesem Zweck werden die Motoren in der Regel mit einem Rotorlagesensor ausgerüstet. Typi- scher Weise wird dazu eine Sensoranordnung verwendet, welche einen am Ende einer Motorwelle montierten zweipoligen Magneten und einen gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensor zur Erkennung der vektoriellen Orientierung des Magnetfeldes umfasst. Diese bekannte Lösung weist eine starke Empfindlichkeit gegenüber Motorströmen und externen Magnetfeldern auf und verursacht Zu- Satzkosten für den Magneten und den Magnetfeldsensor. Zudem ist zur Montage des Magneten zwingend ein freies Wellenende erforderlich.
Aus der EP 0856 720 AI ist beispielsweise ein Lenkwinkelsensor zur Detektie- rung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei welchem mittels eines elektromechanischen Bauteils ein vom Drehwinkel oder einer Drehwinkeländerung abhängiges elektrisches Signal erzeugbar ist. Ein berührungsfreier Lenkwinkelsensor besteht aus einem, am Ende einer Lenkspindel angebrachten Dauermagneten, dessen Magnetisierungsachse senkrecht zur Achse der Lenkspindel liegt. Im Bereich des Dauer- magneten befindet sich ein magnetfeldempfindlicher Sensor, der vorzugsweise aus Hallelementen in diskreter oder integrierter Form besteht.
Zudem ist aus dem Stand der Technik die Verwendung von induktiven Sensoren zur berührungslosen Rotorlagenerfassung bekannt.
Die EP 2 533 019 A2 offenbart beispielsweise einen induktiven Winkelsensor für einen Elektromotor. Der induktive Winkelsensor umfasst eine erste Induktionsspule, welche mitdrehend an einer Rotorwelle des Elektromotors befestigt ist, und eine beabstandet zur ersten Induktionsspule ortsfest angeordnete zweite Induktionsspule. Eine Auswerteschaltung ist mit der zweiten Induktionsspule verbunden und bestimmt durch Auswertung eines zwischen der ersten und der zweiten Induktionsspule induzierten Magnetfelds einen aktuellen Drehwinkel der Rotorwelle des Elektromotors. Der induktive Winkelsensor erfordert jedoch eine komplexe Auswerteschaltung, um die Kopplungsfaktoren zwischen den beiden
Induktionsspulen zu bestimmen.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Erkennung der Rotorlage bzw. die Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors unter Verwendung einer auf dem Wirbelstromprinzip beruhenden Sensoranordnung erfolgt. Die Sensoranordnung umfasst mindestens eine Detektionsspule und eine Primärelektronik, welche die Signalerfassung und Signalverarbeitung innerhalb der Motorsteuerelektronik ausführen, welche auch den bürstenlosen Gleichstrommotor ansteuert.
Der Kern der Erfindung besteht in der Doppelverwendung eines Teils der Motor- Steuerelektronik, welche elektrische und/oder elektronische Schaltungen und eine Auswerte- und Steuereinheit zur Motorsteuerung beinhaltet, durch Verlagerung der Berechnung des aktuellen Drehwinkels des Rotors in die Auswerte- und Steuereinheit der Motorsteuerung, um auf besonders kostengünstige Weise die Rotorlage zu bestimmen. In sicherheitskritischen Systemen vereinfacht sich zu- dem das Sicherheitskonzept deutlich durch diese Verlagerung der Berechnung in die ohnehin gut abgesicherte Auswerte- und Steuereinheit der Motorsteuerelektronik.
Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, verstanden werden, welches erfasste Sensorsignale verarbeitet bzw. auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor zur Verfügung, welcher einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Motorwelle umfasst. Die Motorsteuerelektronik weist eine Auswerte- und Steuereinheit, welche mit der Motordrehung synchronisierte Ansteuersignale für den bürstenlosen Gleichstrommotor erzeugt, und eine Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung auf, welche einen mit der Motorwelle mitdrehenden Messwertgeber und mindestens einen Messwertaufnehmer umfasst, welcher mit dem Messwertgeber zusammenwirkt und mindestens eine Information zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors erzeugt. Hierbei ist der Messwertgeber als scheibenförmiges Target mit mindestens einer Metallfläche ausgeführt, und der Messwertaufnehmer ist als Spulenanordnung mit mindestens einer Detektions- spule ausgeführt, wobei die mindestens eine Metallfläche des Targets durch Wirbelstromeffekte die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule in Abhän- gigkeit vom Überdeckungsgrad verändert. Eine Primärelektronik der Sensoran- Ordnung wandelt die sich ändernde Induktivität der mindestens einen Detektions- spule in ein korrespondierendes Frequenzsignal um und stellt diese der Auswerte- und Steuereinheit zur Verfügung. Die Auswerte- und Steuereinheit berechnet aus dem mindestens einen Frequenzsignal den aktuellen Drehwinkel des Rotors.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Primärelektronik, die Spulenanordnung und die Auswerte- und Steuereinheit auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet werden können. Zudem kann die Auswerte- und Steuereinheit die Ansteuersig- nale über eine Endstufe und mindestens eine Zuleitung an den Gleichstrommotor anlegen, wobei die Endstufe auch auf der gemeinsamen Leiterplatte angeordnet werden kann. In der Regel ist die Endstufe über mehrere Zuleitungen mit dem Gleichstrommotor verbunden, um diesen zu betreiben. Dadurch können die Spulenanordnung und die Primärelektronik in vorteilhafter Weise in das Platinendesign der Leiterplatte der Motorsteuerelektronik integriert und so positioniert werden, dass die mindestens eine Detektionsspule dem Target gegenüberliegend angeordnet ist. Die Bauelemente der Primärelektronik können beispielsweise auf der Rückseite des Sensoranordnungsdesigns positioniert werden. Die zum Betrieb des Gleichstrommotors eingesetzte, vorzugsweise als B6-Brücke ausgeführte Endstufe kann ebenso in das Platinendesign der Leiterplatine der Motorsteuerelektronik integriert werden. Die Auswerte- und Steuereinheit kann die Transistoren der Endstufe ansteuern, die Frequenzsignale der Primärelektronik empfangen und anhand der Frequenzsignale die Rotorlage bzw. den aktuellen Drehwinkel des Rotors berechnen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik kann die Primärelektronik mindestens einen aktivierbaren Oszillator umfassen, welcher mindestens einen Kondensator und eine Messinduktivität umfasst, welche mindestens eine Detektionsspule repräsentiert. Hierbei kann ein aktivierter Oszillator das Frequenzsignal für die korrespondierende Messinduktivität erzeugen und ausgeben. Vorzugsweise weist die Primärelektronik für jede der Detekti- onsspulen einen solchen aktivierbaren Oszillator auf, so dass die Messinduktivität jeweils eine Detektionsspule repräsentiert. Die Auswerte- und Steuereinheit kann den mindestens einen Oszillator über entsprechende Steuersignale aktivieren. So können mehrere Oszillatoren in vorgegebenen Zeitfenstern hintereinander aktiviert werden. Es ist aber auch ein Parallelbetrieb der Oszillatoren möglich, wenn für einen ausreichenden Abstand der Oszillatorfrequenzen gesorgt wird. Die Frequenzsignale können der Auswerte- und Steuereinheit über entsprechenden Zählereingänge zugeführt werden. Ein Zählerbaustein zählt dann die Perioden der Frequenzsignale innerhalb einer definierten Zeitspanne. Die Anzahl der Perioden ist proportional der Frequenz des zugehörigen Oszillators. Zudem können auch andere geeignete Verfahren eingesetzt werden, um die Frequenzsignale bzw. Messsignale auszuwerten. So kann beispielsweise auch mit einem Oszillator mit höherer Frequenz die Periodendauer des Frequenzsignals bzw. Messsignals bestimmt werden. Die Periode des Frequenzsignals bzw. Messsignals entspricht dann der definierten Zeitspanne. Es sind auch kombinierte Auswerteverfahren möglich. Das Frequenzsignal bzw. Messsignal kann beispielsweise durch einen Zähler geteilt und dann mit einem anderen Oszillator vermessen werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik kann das Target am Ende der Motorwelle angeflanscht werden, so dass das Target bei dieser Ausführungsform so angeordnet ist, dass es die mindestens eine Detektionsspule der Spulenanordnung zumindest teilweise überdeckt. Alternativ kann das Target eine Öffnung aufweisen und so auf die Motorwelle aufgeschoben und festgelegt werden, dass es die mindestens eine Detektionsspule der Spulenanordnung zumindest teilweise überdeckt. Bei dieser alternativen Ausführungsform kann die Motorwelle durch ein Loch der Leiterplatte hindurch weitergeführt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik können die mindestens eine Detektionsspule und/oder die mindestens eine Metallfläche jeweils als gleichförmige Kreissegmente und/oder Kreisringsegmente mit einem vorgegebenen Öffnungswinkel ausgeführt werden. So kann die Spulenanordnung beispielsweise sechs flächige Detektionsspulen umfassen, welche gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Das Target kann beispielsweise vier gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnete Metallflächen aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinheit kann aus den durch die Rotationsbewegung des Targets bewirkten Induktivitätsänderungen der sechs Detektionsspulen drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale erzeugen und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 90° auswerten.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik kann die Primärelektronik jeweils zwei Detektionsspulen in einer elektrischen Reihenschaltung zur Messinduktivität zusammenfassen und das korrespondierende Frequenzsignal ausgeben, wobei die zwei zusammengefassten Detektionsspulen einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen und einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet sind. Die Auswerte- und Steuereinheit kann dann aus den durch die Rotationsbewegung des Targets bewirkten Induktivitätsänderungen der drei zusammengefassten Messinduktivitäten drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale erzeugen und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 90° auswerten. Alternativ kann die Auswerte- und Steuereinheit alle Detektionsspulen individuell auswerten und anschließend die drei phasenverschobenen im Wesentlichen sinusförmigen Spulensignale jeweils durch eine Mittwertbildung von Frequenzsignalen von zwei Detektionsspulen erzeugen, welche einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet sind. Durch beide Lösungen kann über eine Mittelwertbildung der Frequenzsignale von gegenüberliegenden Detektionsspulen eine nicht ideale Ausrichtung des Targets und der Spulenanordnung, welche beispielsweise durch eine Verkippung um eine Achse in der Darstellungsebene verursacht wird, in erster Näherung kompensiert werden. Durch die elektrisch in Reihe geschalteten, gegenüberliegenden Detektionsspulen kann die Anzahl der Bauelemente in vorteilhafter Weise weiter reduziert werden. Zudem kann durch die gegensinnige Wicklung der zusammengefassten Detektionsspulen die Einkopplung von externen Störsignalen reduziert werden.
In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik kann die Spulenanordnung drei flächige Detektionsspulen umfassen, welche gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind, und das Target kann zwei gegenüberliegend am Umfang eines Kreises angeordnete Me- tallflächen aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinheit kann aus den durch die Rotationsbewegung des Targets bewirkten Induktivitätsänderungen der drei De- tektionsspulen drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale erzeugen und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeits- bereich von 180° auswerten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bürstenlosen Gleichstrommo- tors mit einem Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines aktivierbaren Oszillators für die erfindungsgemäße Motorsteuerelektronik aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung für die erfindungsgemäße Motorsteuerelektronik aus Fig. 1.
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel ner Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung für die erfindungsgemäße Motorsteuerelektronik aus Fig. 1.
Fig. 5 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung aus Fig. 4 ohne Metallflächen.
Fig. 6 zeigt ein Kennliniendiagramm von Spulensignalen, welche die Auswerte- und Steuereinheit aus den von der Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung ausgegebenen Frequenzsignalen erzeugt hat. Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus Fig. 1 bis 5 ersichtlich ist, umfasst eine Motorsteuerelektronik 1 für einen bürstenlosen Gleichstrommotor 20, welcher einen Stator 22, einen Rotor 24 und eine mit dem Rotor 24 verbundene Motorwelle 26 umfasst, eine Auswerte- und
Steuereinheit 5, welche mit der Motordrehung synchronisierte Ansteuersignale für den bürstenlosen Gleichstrommotor 20 erzeugt, und eine Sensoranordnung 10 zur berührungslosen Rotorlagenerfassung, welche einen mit der Motorwelle 26 mitdrehenden Messwertgeber und mindestens einen Messwertaufnehmer um- fasst, welcher mit dem Messwertgeber zusammenwirkt und mindestens eine Information zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors 24 erzeugt. Hierbei ist der Messwertgeber als scheibenförmiges Target 12, 12A mit mindestens einer Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 ausgeführt, und der Messwertaufnehmer ist als Spulenanordnung 14, 14A mit mindestens einer De- tektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 ausgeführt.
Die mindestens eine Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 des Targets 12, 12A verändert durch Wirbelstromeffekte die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 in Abhängigkeit vom Überdeckungsgrad der mindestens einen Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 des Targets 12, 12A und der mindestens einen
Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6. Eine Primärelektronik 16 der Sensoranordnung 10 wandelt die sich ändernde Induktivität der mindestens einen Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 in ein korrespondierendes Frequenzsignal Ol, 02, 03, 04, 05, 06 um und stellt es der Auswerte- und Steuereinheit 5 zur Verfügung.
Die Auswerte- und Steuereinheit 5 berechnet aus dem mindestens einen Frequenzsignal Ol, 02, 03, 04, 05, 06 den aktuellen Drehwinkel des Rotors 24.
Wie insbesondere aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, sind die Primärelektronik 16, die Spulenanordnung 14, 14A und die Auswerte- und Steuereinheit 5 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 3 angeordnet. Des Weiteren legt die Auswerte- und Steuereinheit 5 die Ansteuersignale über eine Endstufe 7 und mindestens eine Zuleitung 9 an den Gleichstrommotor 20 an. Die Endstufe 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als B6-Brücke ausgebildet und ebenfalls auf der gemeinsa- men Leiterplatte 3 angeordnet. Die Primärelektronik 16 umfasst mindestens einen aktivierbaren Oszillator 16.1. Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, umfasst ein solcher aktivierbarer Oszillator mindestens einen Kondensator Ci, C2 und eine Messinduktivität I_M, welche min- destens eine der Detektionsspulen 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4,
14.5, 14.6 repräsentiert. Ein aktivierter Oszillator 16.1 erzeugt das Frequenzsignal Ol, 02, 03, 04, 05, 06 für die korrespondierende Messinduktivität I_M und gibt es aus. Die Auswerte- und Steuereinheit 5 aktiviert den mindestens einen Oszillator 16.1 über entsprechende Steuersignale Sl, S2, S3. Der Oszillator 16.1 besteht somit für jede Messinduktivität aus zwei N AN D-Gattern NAND1, NAND2, von denen ein erstes N AN D-Gatter NAND1 als Torschaltung wirkt, wenn ein entsprechendes Steuersignal Sl, S2, S3, S4, S5, S6 anliegt, zwei Kondensatoren Ci, C2 und einem ohmschen Widerstand R und kann sehr kostengünstig umgesetzt werden. Ein zweites N AN D-Gatter NAND2 wirkt als Inverter für das Fre- quenzsignal Ol, 02, 03, 04, 05, 06, an dessen Freigabeeingang eine Betriebsspannung UB angelegt ist.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, ist das Target 12, 12A im dargestellten Ausführungsbeispiel am Ende der Motorwelle 26 angeflanscht. Bei einem alternati- ven nicht dargestellten Ausführungsspiel kann das Target 12, 12A eine Öffnung aufweisen und auf die Motorwelle 26 aufgeschoben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Motorwelle 26 durch ein Loch in der Leiterplatte 3 hindurch nach links weitergeführt werden. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist die Spulenanordnung 14, 14A und das Target 12, 12A so positioniert, dass sich die mindestens eine Detektionsspule 14.1, 14.1 A, 14.2, 14.2 A, 14.3, 14.3A, 14.4,
14.5, 14.6 und die mindestens eine Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 zumindest teilweise überdecken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Primärelektronik 16 auf der Rückseite der Spulenanordnung 14, 14A und der Leiterplatte 3 angeordnet.
Wie aus Fig. 3 bis 5 weiter ersichtlich ist, sind die mindestens eine Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 und/oder die mindestens eine Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 jeweils als gleichförmige Kreissegmente und/oder Kreisringsegmente mit einem vorgegebenen Öffnungswinkel ausgeführt. Wie aus Fig. 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die Spulenanordnung 14 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sechs flächige Detektionsspulen 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6, welche jeweils als gleichförmige Kreisringsegmente mit ei- nem Öffnungswinkel von ca. 60° ausgeführt und gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Das teildurchsichtig dargestellte Target 12 weist vier teildurchsichtig dargestellte Metallflächen 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 auf, welche als gleichförmige Kreisringsegmente mit einem Öffnungswinkel von ca. 60° ausgeführt und gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Je nach Überdeckungsgrad der einzelnen Detektionsspule 14.1, 14.2, 14.3, 14.4,
14.5, 14.6 mit den Metallflächen 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 verändert sich die Induktivität der zugehörigen Detektionsspule 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6. Durch die Verwendung des in Fig. 2 dargestellten Oszillators 16.1 wird die Induktivität der zugehörigen Detektionsspule 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 in ein korres- pondierendes Frequenzsignal Ol, 02, 03, 04, 05, 06 umgewandelt. Selbstverständlich sind auch noch andere Öffnungswinkel und Formen für die Detektionsspulen 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 und Metallflächen 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 möglich. Die Anordnung der Detektionsspulen 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 und der
Metallflächen 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 gemäß Fig. 3 führt bei exakt zentrierter Orientierung zwischen dem Target 12 und der Spulenanordnung 14 zu einem gleichartigen Signalverlauf von gegenüberliegend angeordneten Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6. Bei nicht idealer Ausrichtung, die bei- spielsweise durch eine Verkippung um eine Achse in der Darstellungsebene verursacht wird, kann der Einfluss durch Mittelwertbildung der Frequenzsignale Ol, 04; 02, 05; 03, 06 der gegenüberliegend angeordneten Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 kompensiert werden. Die Mittelwertbildung der Frequenzsignale Ol, 04; 02, 05; 03, 06 der gegenüberliegend angeordneten De- tektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 kann beispielsweise durch die
Auswerte- und Steuereinheit 10 erfolgen, welche die Frequenzsignale Ol, 02, 03, 04, 05, 06 aller Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 empfängt und individuell auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 bildet dann aus den Frequenzsignalen Ol, 04; 02, 05; 03, 06 der gegenüberliegend ange- ordneten Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 jeweils den Mittel- wert. Alternativ kann die Primärelektronik 16 jeweils zwei Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 in einer elektrischen Reihenschaltung zu einer Messinduktivität I_M zusammenfassen und die korrespondierenden Frequenzsignale Ol, 02, 03 ausgeben.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine erste und eine vierte Detektions- spule 14.1, 14.4 und eine zweite und eine fünfte Detektionsspule 14.2, 14.5 sowie eine dritte und eine sechste Detektionsspule 14.3, 14.6 jeweils zu einer Messinduktivität I_M zusammengefasst. Daher werden nur drei Oszillatoren 16.1 eingesetzt, um die drei korrespondierenden Frequenzsignale Ol, 02, 03 zu erzeugen und an die Auswerte- und Steuereinheit 10 auszugeben. Die zwei jeweils zu einer Messinduktivität I_M zusammengefassten Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 weisen einen entgegengesetzten Wicklungssinn auf und sind einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Bauelemente durch die Reduzierung der Messinduktivitäten I_M weiter reduziert werden kann. Des Weiteren kann die Einkopp- lung externer Störsignale reduziert werden. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 erzeugt aus den durch die Rotationsbewegung des Targets 12 bewirkten Induktivitätsänderungen der sechs Detektionsspulen 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 bzw. der drei Messinduktivitäten I_M drei in Fig. 6 dargestellte, phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmigen Spulensignale LI, L2, L3 und wertet diese zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 90° aus. Das Kennliniendiagramm gemäß Fig. 6 zeigt den Verlauf der Frequenz f der Spulensignale LI, L2, L3 über dem Rotorwinkel RW.
Wie aus dem zugehörigen Kennliniendiagramm gemäß Fig. 6 ersichtlich ist, verlaufen die drei erzeugten phasenverschobenen Spulensignale LI, L2, L3 nahezu sinusförmig, wobei die Auswerte- und Steuereinheit 10 ein erstes Spulensignal LI aus dem Frequenzsignal Ol der aus der ersten und vierten Detektionsspule 12.1, 12.4 zusammengefassten Messinduktivität LM erzeugt, ein zweites Spulensignal L2 aus dem Frequenzsignal 02 der aus der zweiten und fünften Detektionsspule 12.2, 12.5 zusammengefassten Messinduktivität LM erzeugt und ein drittes Spulensignal L3 aus dem Frequenzsignal 03 der aus der dritten und sechsten Detektionsspule 12.3, 12.6 zusammengefassten Messinduktivität LM er- zeugt. Alternativ zur Gestaltung der Spulenanordnung 14 und des Targets 12 gemäß Fig. 3 ist ein in Fig. 4 und 5 dargestelltes zweites Ausführungsbeispiel mit drei Detektionsspulen 14.1A, 14.2A, 14.3A und zwei Metallflächen 12.1A, 12.2A möglich. Der Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels ist die Eindeutigkeit des
Messbereichs über 180°. Dies ist für die Steuerung von Gleichstrommotoren mit zwei Polpaaren vorteilhaft.
Wie aus Fig. 4 und 5 weiter ersichtlich ist, umfasst die Spulenanordnung 14A im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel drei flächige Detektionsspulen 14.1A, 14.2A, 14.3A, welche jeweils als gleichförmige Kreisringsegmente mit einem Öffnungswinkel von ca. 110° ausgeführt und gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Das Target 12A weist zwei Metallflächen 12.1A, 12.2A auf, welche als gleichförmige Kreisringsegmente mit einem Öffnungswinkel von ca. 104° ausgeführt und einander gegenüberliegend am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Je nach Überdeckungsgrad der einzelnen Detektionsspule 14.1A, 14.2A, 14.3A mit den Metallflächen 12.1A, 12.2A verändert sich die Induktivität der zugehörigen Detektionsspule 14.1A, 14.2A, 14.3A. Selbstverständlich sind auch noch andere Öffnungswinkel und Formen für die Detektionsspulen 14.1A, 14.2A, 14.3A und Metallflächen 12.1A, 12.2A möglich.
Im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel werden drei Oszillatoren 16.1 eingesetzt, um die drei korrespondierenden Frequenzsignale Ol, 02, 03 zu erzeugen und an die Auswerte- und Steuereinheit 10 auszugeben, wobei die Messin- duktivität I_M des jeweiligen Oszillators 16.1 eine zugehörige Detektionsspule
14.1A, 14.2A, 14.3A repräsentiert. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 erzeugt aus den durch die Rotationsbewegung des Targets 12A bewirkten Induktivitätsänderungen der drei Detektionsspulen 14.1A, 14.2A, 14.3A bzw. der drei Messinduktivitäten I_M drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmigen Spu- lensignale. Der Signalverlauf dieser Spulensignale ist den in Fig. 6 dargestellten
Spulensignalen LI, L2, L3 sehr ähnlich. Der Unterschied betrifft lediglich die Skalierung der x-Achse, welche in diesem Fall von 0° bis 180° verläuft.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Motorsteuerelektronik 1 mit drei aus jeweils zwei Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 zusammenge- fassten Messinduktivitäten I_M aktiviert die Auswerte- und Steuereinheit 10 über entsprechenden Steuerleitungen und die Steuersignale Sl bis S3 die drei Oszillatoren 16.1 der Primärelektronik 16. Die Steuersignale Sl bis S3 wirken als Freigabesignal am ersten N AN D-Gatter NAND1 des korrespondierenden Oszillators 16.1. Die Oszillatoren 16.1 können in vorgegebenen Zeitfenstern nacheinander aktiviert werden. Ein Parallelbetrieb der Oszillatoren 16.1 ist ebenso möglich, wenn für einen ausreichenden Abstand der Oszillatorresonanzfrequenzen gesorgt wird. Die Frequenzsignale Ol, 02, 03 werden der Auswerte- und Steuereinheit 10 an entsprechenden Zählereingängen zugeführt. Ein Zählerbaustein zählt die Perioden der Frequenzsignale Ol, 02, 03 innerhalb einer definierten Zeitspanne von beispielsweise 0,5ms. Die Anzahl der Perioden ist proportional der Frequenz des Oszillators 16.1. Die in Fig. 6 dargestellten phasenverschobenen Spulensignale LI, L2, L3 können durch übliche Berechnungsverfahren in ein sin/cos-Signal überführt werden. Die Berechnung des Rotorlagewinkels erfolgt dann durch Anwendung der Arcus-Tangens-Funktion. Die Berechnungen werden in der Auswerte- und Steuereinheit 10 der Motorsteuerelektronik 1 ausgeführt.
Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise die Doppelverwendung eines Teils der Motorsteuerelektronik, welche elektrische und/oder elektronische Schaltungen und eine Auswerte- und Steuereinheit zur Motorsteuerung beinhaltet, durch Verlagerung der Berechnung des aktuellen Drehwinkels des Rotors in die Auswerte- und Steuereinheit der Motorsteuerung, um auf besonders kostengünstige Weise die Rotorlage zu bestimmen. In sicherheitskritischen Systemen vereinfacht sich zudem das Sicherheitskonzept deutlich durch diese Verlagerung der Berechnung in die ohnehin gut abgesicherte Auswerte- und Steuereinheit der Motorsteuerelektronik.

Claims

Ansprüche
1. Motorsteuerelektronik (1) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (20), welcher einen Stator (22), einen Rotor (24) und eine mit dem Rotor (24) verbundene Motorwelle (26) umfasst, mit einer Auswerte- und Steuereinheit (5), welche mit der Motordrehung synchronisierte Ansteuersigna- le für den bürstenlosen Gleichstrommotor (20) erzeugt, und einer Sensoranordnung (10) zur berührungslosen Rotorlagenerfassung, welche einen mit der Motorwelle (26) mitdrehenden Messwertgeber und mindestens einen Messwertaufnehmer umfasst, welcher mit dem Messwertgeber zusammenwirkt und mindestens eine Information zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors (24) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertgeber als scheibenförmiges Target (12, 12A) mit mindestens einer Metallfläche (12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4) ausgeführt ist, und der Messwertaufnehmer als Spulenanordnung (14, 14A) mit mindestens einer Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) ausgeführt ist, wobei die mindestens eine Metallfläche (12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4) des Targets (12, 12A) durch Wirbelstromeffekte die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) in Abhängigkeit vom Überdeckungsgrad verändert, wobei eine Primärelektronik (16) der Sensoranordnung (10) die sich ändernde Induktivität der mindestens einen Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) in ein korrespondierendes Frequenzsignal (Ol, 02, 03, 04, 05, 06) umwandelt und der Auswerte- und Steuereinheit (5) zur Verfügung stellt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (5) aus dem mindestens einen Frequenzsignal (Ol, 02, 03, 04, 05, 06) den aktuellen Drehwinkel des Rotors (24) berechnet.
2. Motorsteuerelektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektronik (16), die Spulenanordnung (14, 14A) und die Aus- werte- und Steuereinheit (5) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (3) angeordnet sind.
Motorsteuerelektronik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (5) die Ansteuersignale über eine Endstufe (7) und mindestens eine Zuleitung (9) an den Gleichstrommotor (20) anlegt, wobei die Endstufe (7) auf der gemeinsamen Leiterplatte (3) angeordnet ist.
Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektronik (16) mindestens einen aktivierbaren Oszillator (16.1) umfasst, welcher mindestens einen Kondensator (Ci, C2) und eine Messinduktivität (LM) umfasst, welche mindestens eine Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) repräsentiert, wobei ein aktivierter Oszillator (16.1) das Frequenzsignal (Ol, 02, 03, 04, 05, 06) für die korrespondierende Messinduktivität (LM) erzeugt und ausgibt, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit (5) den mindestens einen Oszillator (16.1) über entsprechende Steuersignale (Sl, S2, S3) aktiviert.
Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (12, 12A) am Ende der Motorwelle (26) angeflanscht oder auf die Motorwelle (26) aufgeschoben ist.
Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) und/oder die mindestens eine Metallfläche (12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4) jeweils als gleichförmige Kreissegmente und/oder Kreisringsegmente mit einem vorgegebenen Öffnungswinkel ausgeführt sind.
Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (14) sechs flächige Detekti- onsspulen (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6) umfasst, welche gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind, und das Tar- get (12) vier gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnete Metallflächen (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) aufweist.
Motorsteuerelektronik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) aus den durch die Rotationsbewegung des Targets (12) bewirkten Induktivitätsänderungen der sechs Detektionsspulen (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6) drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale (LI, L2, L3) erzeugt und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 90° auswertet.
Motorsteuerelektronik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektronik (16) jeweils zwei Detektionsspulen (14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6) in einer elektrischen Reihenschaltung zu einer Messinduktivität (I_M) zusammenfasst und das korrespondierende Frequenzsignal (Ol, 02, 03) ausgibt, wobei die zwei zusammengefassten Detektionsspulen (14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6) einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen und einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet sind.
Motorsteuerelektronik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (5) die drei phasenverschobenen im Wesentlichen sinusförmigen Spulensignale (LI, L2, L3) jeweils durch eine Mittwertbildung von Signalen von zwei Detektionsspulen (14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6) erzeugt, welche einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet sind.
Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (14A) drei flächige Detektionsspulen (14.1A, 14.2A, 14.3A) umfasst, welche gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind, und das Target (12A) zwei gegenüberliegend am Umfang eines Kreises angeordnete Metallflächen (12.1A, 12.2A) aufweist. Motorsteuerelektronik nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) aus den durch die Rotationsbewegung des Targets (14A) bewirkten Induktivitätsänderungen der drei De- tektionsspulen (14.1A, 14.2A, 14.3A) drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale (LI, L2, L3) erzeugt und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 180° auswertet.
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