WO2023099003A1 - System zum steuern einer bewegung eines bauteils eines kraftfahrzeugs - Google Patents

System zum steuern einer bewegung eines bauteils eines kraftfahrzeugs Download PDF

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WO2023099003A1
WO2023099003A1 PCT/EP2021/084028 EP2021084028W WO2023099003A1 WO 2023099003 A1 WO2023099003 A1 WO 2023099003A1 EP 2021084028 W EP2021084028 W EP 2021084028W WO 2023099003 A1 WO2023099003 A1 WO 2023099003A1
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WO
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control unit
electric motor
control signal
pulse width
width modulation
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/084028
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Schneider
Justin RAJEWSKI
Uwe KRAWINKEL
Stefan Henschel
Original Assignee
Pierburg Gmbh
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Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor

Definitions

  • the invention relates to a system for controlling a movement of a component of a motor vehicle, with a brushless electric motor, a vehicle-side control unit which has a circuit and a two-cable interface for controlling the brushless electric motor or a brushed motor, and a component-side control unit which has the two-cable interface is connected to the vehicle-side control unit, the component-side control unit having a motor driver which provides a multi-phase current drive signal for driving the brushless electric motor.
  • a motor vehicle usually includes a large number of electrically adjustable components, such as exterior mirrors, window winders or flaps of an air conditioning system or an exhaust system. Electrically adjustable components of this type are adjusted between their different positions by means of an actuator, the actuator usually having an electric motor and, if necessary, a gear mechanism interposed between the electric motor and the component to be adjusted.
  • the electric motor used is usually a cost-effective DC brush motor that works directly with an on-board voltage, which is also referred to as a DC motor.
  • the DC brush motor is controlled by a vehicle-side control unit, also known as an ECU, with the driver-side control unit taking over the control, regulation and monitoring of various components of the motor vehicle.
  • the brushed DC motor is increasingly being replaced by a brushless electric motor, also referred to as a BLDC.
  • Such brushless electric motors have a longer service life and improved robustness to high temperatures and vibrations compared to DC brush motors.
  • a component-side control unit which controls the brushless electric motor, receives a power supply signal with a cyclic ratio or a modulated frequency via a two-wire connection, with an electronic circuit of the component-side control unit including a decoding stage, which is determined by the timing of rising edges and falling edges of the modulated signal determines a direction of rotation setpoint by analyzing the modulated signal on the two wires, a target rotor position setpoint, a target sequence of pre-recorded motions, and/or a target velocity.
  • the decoded parameters are used to control the brushless electric motor.
  • a signal modulated by pulse width modulation is used in a known manner, with which a medium voltage modulated by a square-wave signal is generated.
  • the square-wave signal fluctuates between 0 volts and a battery voltage or vehicle electrical system voltage of 12 V.
  • the disadvantage of such a configuration is that power is clocked via the two-wire connection, ie the power supply signal changes cyclically between 0 V and the on-board voltage, for example 12 V, 24 V or 48 V, which reduces electromagnetic compatibility, ie the ability of a technical device not to disturb other devices through unwanted electrical or electromagnetic effects or to be disturbed by other devices is deteriorated.
  • the task therefore arises of providing a system with improved electromagnetic compatibility.
  • circuit of the vehicle-side control unit is designed such that a first terminal of the
  • Two-wire interface a constant input DC voltage and through a second connector of the two-wire interface
  • Pulse width modulation control signal are provided, and wherein the multi-phase current control signal can be generated based on the constant input DC voltage and the pulse width modulation control signal.
  • the vehicle-side control unit is connected via a first connection of the two-cable interface, via which a constant input DC voltage is transmitted to the component-side control unit, and via a second connection of the two-cable interface, via which a
  • Pulse width modulation control signal is transmitted to the component-side control unit, connected to the component-side control unit, the constant DC input voltage and the Pulse width modulation control signal can be used to generate the multi-phase current drive signal for driving the brushless electric motor.
  • the pulse width modulation control signal is just a digital signal.
  • the electrical current required to operate the brushless electric motor is transmitted to the component-side control unit via the first connection of the two-cable interface.
  • the electrical connection between the two connections of the two-cable interface and the component-side control unit takes place, for example, via a first cable connected to the first connection and a second cable connected to the second connection.
  • Such a configuration achieves improved electromagnetic compatibility of the system, with no power clocking via the two-cable connection, but the electrical power as a constant variable via one of the two cables and the pulse width modulation control signal via the other cable to the component-side control unit be transmitted.
  • the pulse width modulation control signal fluctuates between 0 V, which is set by connecting to ground, and a value slightly above 0 V, which is set by a slight voltage drop within the component-side control unit.
  • a so-called power pulse width modulation control signal namely the polyphase current control signal, is generated by the component-side control unit from the pulse width modulation control signal and the constant input voltage.
  • Power pulse width modulation control signal is passed to the motor driver to drive the brushless electric motor.
  • a vehicle-side control unit provided for a DC brush motor or the switching structure of the vehicle-side control unit can be used without any change for the activation of a brushless electric motor, improved electromagnetic compatibility being achieved by avoiding the power cycle.
  • the vehicle control unit i.e. the circuit of the vehicle control unit, can be used to control a brushed motor and a brushless electric motor.
  • the component-side control unit preferably has a decoding unit for decoding the pulse width modulation control signal, the decoding unit determining the direction and speed information from the pulse width modulation control signal and the motor driver based on the decoded pulse width modulation control signal and the constant input DC voltage das
  • the decoding unit is designed in such a way that a first duty ratio range and a second duty ratio range are provided, with the duty ratio ranges defining two opposite directions of rotation of a rotor of the brushless electric motor and the duty ratio within the duty ratio ranges defining the speed of the rotor of the brushless electric motor. For example, if the rotor of the brushless electric motor is to rotate clockwise over a specific period of time and at a specific speed, the decoding unit receives a pulse width modulation control signal from the vehicle-side control unit in a first duty cycle range, which is assigned to the clockwise direction of rotation, with one of the speed of the rotor associated duty cycle.
  • the decoding unit receives a pulse width modulation control signal in the second duty cycle range with a duty cycle corresponding to the speed.
  • the pulse duty factor is a time ratio between a pulse duration or pulse width in relation to a period duration.
  • the characteristic value duty cycle can be used instead of the duty cycle, where the duty cycle is a dimensionless number, the duty cycle is specified as a percentage.
  • the circuit of the vehicle-side control unit preferably has at least a first switch and a second switch, with a DC voltage connection of the component-side control unit being connected to a DC voltage source when the first switch is in a closed position, and with switching between a closed and an open position of the second Switch, a control signal input of the component-side control unit can be connected to ground in such a way that the pulse width modulation control signal can be generated.
  • the original circuit used to control the brush motor can be used to control the brushless electric motor, with only the control of the switches having to be adapted.
  • the brush motor can be replaced by a brushless electric motor in a simple and cost-effective manner, with no power clocking taking place during communication between the vehicle-side control unit and the component-side control unit, thereby improving electromagnetic compatibility.
  • the circuit is preferably an H-bridge circuit with two high-side switches and two low-side switches, the first switch being a high-side switch and for providing the constant DC input voltage is permanently closed, the second switch is a low-side switch and can be adjusted between an open position and a closed position for generating the pulse width modulation control signal, and the other switches are permanently open.
  • the H-bridge circuit is a well-known and common way of driving electric motors. By using the H-bridge circuit, the brushless electric motor can be controlled in a simple and cost-effective manner, with electromagnetic compatibility being able to be improved by separating the input DC voltage and the pulse width modulation control signal.
  • the brushless electric motor is designed as a multi-phase electric motor with n phases, with multi-phase electric motors having a relatively high degree of efficiency.
  • a detection device for detecting the rotor position of a rotor of the brushless electric motor is preferably provided, the pulse width modulation control signal of the brushless electric motor being able to be generated as a function of the rotor position of the rotor.
  • the detection device preferably has a plurality of Hall sensors.
  • the detection device preferably has a plurality of Hall sensors, with the sensor signals from the Hall sensors being used in a manner known from the prior art for controlling the brushless electric motor.
  • an on-board control unit provided for a DC brush motor or the switching structure of the on-board control unit can be used without modification for controlling a brushless electric motor, with improved electromagnetic compatibility being able to be achieved by avoiding power pulsing.
  • Figure 1 shows a block diagram of the system for controlling a movement of a component of a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a representation of several pulse width modulation control signals with constant duty cycles
  • FIG. 3 shows a representation of a decoding of the pulse width modulation control signal.
  • FIG. 1 shows a schematic sketch of a system 10 for controlling a component of a motor vehicle.
  • a component is in particular a valve body of a valve, the valve body being adjusted by means of the system 10, which serves as an actuator.
  • the system 10 essentially comprises a vehicle-side control unit 20, a component-side control unit 40 and a brushless electric motor 60, a so-called BLDC motor or EC motor.
  • the brushless electric motor 60 includes a stator 62 and a rotor
  • the stator 62 is fixed to the housing and has a stator winding with three phases Al, Bl, CI, the phases Al, Bl, CI being controlled depending on a position of the rotor 64 .
  • a detection device 70 with a plurality of Hall sensors 71 is provided for determining the rotor position, the detection device 70 being connected to the vehicle-side control unit 20 via a signal and power line 72 .
  • the in-vehicle control unit 20 has a two-wire interface
  • the H-bridge circuit 22 includes two high-side switches 24, 26 and two low-side switches 28, 30, with a first cable 36 of a two-cable connection 34 starting from path between a first high-side switch 24 and a first low-side switch 28 leading to the brushed motor and a second cable 38 of the two-cable connection
  • the second high-side switch 26 and the first low-side switch 28 are closed, as a result of which the flow of current is reversed and the rotor of the brushed motor thereby rotates in a second direction opposite to the first direction.
  • the identical H-bridge circuit 22 of the vehicle-side control unit 20 is also used to control the brushless electric motor 60, with the actuation of the switches 24, 26, 28, 30 being changed.
  • the first high-side switch 24 is permanently closed, as a result of which a constant input DC voltage is transmitted from the vehicle-side control unit 24 via the first cable 36 of the two-cable connection 34 to the component-side control unit 40.
  • Adjusted pulse width modulation control signal between an open position and a closed position.
  • the second high-side switch 26 and the first low-side switch 28 are permanently open.
  • the second high-side switch 26 can be permanently closed and the first low-side switch 28 to generate a
  • Pulse width modulation control signal can be adjusted between an open position and a closed position. In this way, a constant DC input voltage is transmitted via the first cable 36 and the pulse width modulation control signal, which is merely a digital signal, is transmitted via the second cable 38 to the component-side control unit 40 .
  • the component-side control unit 40 includes a decoding unit 42 and a motor driver 44.
  • the decoding unit 42 receives the pulse width modulation control signal emanating from the vehicle-side control unit 20 and generated by the adjustment of the second low-side switch 30 and decodes it.
  • the decoding takes place using a decoding diagram stored in decoding unit 42 and shown in FIG.
  • the decoding diagram has a first duty cycle range D1 and a second duty cycle range D2, wherein the duty ratio ranges D1, D2 define two mutually opposite directions of rotation of the rotor 64 and the duty ratio within the duty ratio ranges D1, D2 defines the speed of the rotor 64.
  • FIG. 2a shows a pulse width modulation control signal with a duty cycle of 0.5 or a duty cycle of 50%, which is also shown in the decoding diagram in FIG.
  • FIG. 2b shows a pulse width modulation control signal with a pulse duty factor of 0.25, which, according to the decoding diagram from FIG.
  • FIG. 2c shows a pulse width modulation control signal with a pulse duty factor of 0.75, which, according to the decoding diagram from FIG.
  • the direction and speed information decoded from the pulse width modulation control signal is transmitted to the motor driver 44 via a signal line 46 .
  • the motor driver 44 includes a circuit, in particular at least one bridge circuit, for controlling the three phases A1, B1, CI via a phase line 52, 54, 56 and by means of a
  • the brushless electric motor 60, the component-side and/or the vehicle-side control unit 20 can be designed differently.

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Abstract

System zum Steuern einer Bewegung eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs, mit einem bürstenlosen Elektromotor (60), einer fahrzeugseitigen Steuereinheit (20), welche eine Schaltung (21) und eine Zwei-Kabel-Schnittstelle (33) zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors (60) oder eines Bürstenmotors aufweist, und einer bauteilseitigen Steuereinheit (40) welche über die Zwei-Kabel-Schnittstelle (33) mit der fahrzeugseitigen Steuereinheit (20) verbunden ist, wobei die bauteilseitige Steuereinheit (40) einen Motortreiber (44) aufweist, welcher ein Mehrphasenstromansteuersignal zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors (60) bereitstellt, die Schaltung (21) der fahrzeugseitigen Steuereinheit (20) derart ausgeführt ist, dass über einen ersten Anschluss (35) der Zwei-Kabel-Schnittstelle (33) eine konstante Eingangsgleichspannung und über einen zweiten Anschluss (37) der Zwei-Kabel-Schnittstelle (33) ein Pulsweitenmodulations-Steuersignal bereitgestellt werden, wobei das Mehrphasenstromansteuersignal basierend auf der konstanten Eingangsgleichspannung und dem Pulsweitenmodulations-Steuersignal generierbar ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
System zum Steuern einer Bewegung eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein System zum Steuern einer Bewegung eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs, mit einem bürstenlosen Elektromotor, einer fahrzeugseitigen Steuereinheit, welche eine Schaltung und eine Zwei-Kabel-Schnittstelle zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors oder eines Bürstenmotors aufweist, und einer bauteilseitigen Steuereinheit, welche über die Zwei-Kabel-Schnittstelle mit der fahrzeugseitigen Steuereinheit verbunden ist, wobei die bauteilseitige Steuereinheit einen Motortreiber aufweist, welcher ein Mehrphasenstromansteuersignal zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors bereitstellt.
Ein Kraftfahrzeug umfasst üblicherweise eine Vielzahl von elektrisch verstellbaren Bauteilen, wie beispielsweise Außenspiegel, Fensterheber oder Klappen einer Klimaanlage oder einer Abgasanlage. Derartige elektrische verstellbare Bauteile werden zwischen ihren unterschiedlichen Stellungen mittels eines Stellers verstellt, wobei der Steller üblicherweise einen Elektromotor und ggfs. ein zwischen dem Elektromotor und dem zu verstellenden Bauteilen zwischengeschaltetes Getriebe aufweist. Der dabei verwendete Elektromotor ist im Regelfall ein direkt mit einer Bordspannung arbeitender, kostengünstiger Gleichstrom-Bürstenmotor, welcher auch als DC-Motor bezeichnet wird. Die Ansteuerung des Gleichstrom-Bürstenmotors erfolgt durch eine fahrzeugseitige Steuereinheit, auch ECU genannt, wobei die fahrerseitige Steuereinheit die Steuerung, Regelung und Überwachung von unterschiedlichen Komponenten des Kraftfahrzeugs übernimmt. Der Gleichstrom-Bürstenmotor wird bei Automobilanwendungen vermehrt durch einen bürstenlosen Elektromotor, auch als BLDC bezeichnet, ersetzt. Derartige bürstenlose Elektromotoren weisen im Vergleich zu den Gleichstrom-Bürstenmotoren eine längere Lebensdauer und eine verbesserte Robustheit gegen hohe Temperaturen und Vibrationen auf.
Der Austausch des Gleichstrom-Bürstenmotors durch den bürstenlosen Motor soll dabei mit einem möglichst geringen Aufwand ermöglicht werden, wobei insbesondere an der fahrzeugseitigen Steuereinheit möglichst wenige und bestenfalls gar keine Änderungen vorgenommen werden sollen. Die US 2021/211076 Al offenbart beispielsweise einen derartigen Austausch des Gleichstrom-Bürstenmotors durch einen bürstenlosen Elektromotor. Dabei empfängt eine bauteilseitige Steuereinheit, welche den bürstenlosen Elektromotor ansteuert, über eine Zweidrahtverbindung ein Stromversorgungssignal mit einem zyklischen Verhältnis oder einer modulierten Frequenz, wobei eine elektronische Schaltung der bauteilseitigen Steuereinheit eine Dekodierstufe umfasst, welche durch zeitliche Bestimmung von steigenden Flanken und fallenden Flanken des modulierten Signals einen Drehrichtungssollwert durch Analyse des modulierten Signals auf den beiden Drähten, einen Ziel-Rotorpositions-Sollwert, eine Zielsequenz von voraufgezeichneten Bewegungen, und/oder eine Zielgeschwindigkeit ermittelt. Die dekodierten Parameter werden zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors genutzt.
Zur Steuerung der Drehzahl der Gleichstrom-Bürstenmotoren wird in bekannter Weise ein durch Pulsweitenmodulation moduliertes Signal verwendet, mit dem eine durch ein Rechtecksignal modulierte Mittelspannung erzeugt wird. Im Allgemeinen schwankt das Rechtecksignal zwischen 0 Volt und einer Batteriespannung bzw. eine Bordnetzspannung von 12 V. Nachteilig an einer derartigen Ausgestaltung ist, dass eine Leistungstaktung über die Zweidrahtverbindung erfolgt, d.h. sich das Stromversorgungssignal zwischen 0 V und der Bordspannung, beispielsweise 12 V, 24 V oder 48 V, zyklisch verändert, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit, d.h. die Fähigkeit eines technischen Geräts, andere Geräte nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte zu stören oder durch andere Geräte gestört zu werden, verschlechtert wird.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein System mit einer verbesserten elektromagnetischen Verträglichkeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Schaltung der fahrzeugseitigen Steuereinheit derart ausgeführt, dass über einen ersten Anschluss der
Zwei-Kabel-Schnittstelle eine konstante Eingangsgleichspannung und über einen zweiten Anschluss der Zwei-Kabel-Schnittstelle ein
Pulsweitenmodulations-Steuersignal bereitgestellt werden, und wobei das Mehrphasenstromansteuersignal basierend auf der konstanten Eingangsgleichspannung und dem Pulsweitenmodulations-Steuersignal generierbar ist. In anderen Worten ausgedrückt, ist die fahrzeugseitige Steuereinheit über einen ersten Anschluss der Zwei-Kabel-Schnittstelle, über weichen eine konstante Eingangsgleichspannung an die bauteilseitige Steuereinheit übertragen wird, und über einen zweiten Anschluss der Zwei-Kabel-Schnittstelle, über welchen ein
Pulsweitenmodulations-Steuersignal an die bauteilseitige Steuereinheit übertragen wird, mit der bauteilseitigen Steuereinheit verbunden, wobei die konstante Eingangsgleichspannung und das Pulsweitenmodulations-Steuersignal zur Generierung des Mehrphasenstromansteuersignal zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors genutzt werden. Damit ist das Pulsweitenmodulations-Steuersignal lediglich ein digitales Signal. Der für den Betrieb des bürstenlosen Elektromotors erforderliche elektrische Strom wird über den ersten Anschluss der Zwei-Kabel-Schnittstelle an die bauteilseitige Steuereinheit übertragen. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen der Zwei-Kable-Schnittstelle und der bauteilseitigen Steuereinheit erfolgt beispielsweise über ein erstes, mit dem ersten Anschluss verbundenen Kabel und ein zweites, mit dem zweiten Anschluss verbundenen Kabel.
Durch eine derartige Ausgestaltung wird eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit des Systems erzielt, wobei keine Leistungstaktung über die Zwei-Kabel-Verbindung erfolgt, sondern die elektrische Leistung als konstante Größe über eines der beiden Kabel und das Pulsweitenmodulations-Steuersignal über das andere Kabel an die bauteilseitige Steuereinheit übertragen werden. Dabei schwankt das Pulsweitenmodulations-Steuersignal zwischen 0 V, welches sich durch ein Verbinden mit der Masse einstellt, und einem Wert geringfügig über 0 V, welcher sich durch einen geringfügigen Spannungsabfall innerhalb der bauteilseitigen Steuereinheit einstellt. Ein sogenanntes Leistungs-Pulsweitenmodulations-Steuersignal, nämlich das Mehrphasenstromansteuersignal, wird durch die bauteilseitige Steuereinheit aus dem Pulsweitenmodulations-Steuersignal und der konstanten Eingangsspannung generiert. Das
Leistungs-Pulsweitenmodulations-Steuersignal wird zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors an den Motortreiber weitergegeben.
Durch eine derartige Ausgestaltung des Systems kann eine für einen Gleichstrom-Bürstenmotor vorgesehene fahrzeugseitige Steuereinheit bzw. die Schaltstruktur der fahrzeugseitigen Steuereinheit ohne eine Veränderung für die Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors verwendet werden, wobei durch die Vermeidung der Leistungstaktung eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit erzielt wird.
Damit kann die fahrzeugseitige Steuereinheit, d.h. die Schaltung der fahrzeugseitigen Steuereinheit, wahlweise für die Ansteuerung eines Bürstenmotors und eines bürstenlosen Elektromotors verwendet werden.
Vorzugsweise weist die bauteilseitige Steuereinheit eine Dekodiereinheit zur Dekodierung des Pulsweitenmodulations-Steuersignals auf, wobei die Dekodiereinheit die Richtungs- und Geschwindigkeitsinformationen aus dem Pulsweitenmodulations-Steuersignal ermittelt und der Motortreiber basierend auf dem dekodierten Pulsweitenmodulations-Steuersignal und der konstanten Eingangsgleichspannung das
Mehrphasenstromansteuersignal bereitstellt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Dekodiereinheit derart ausgeführt, dass ein erster Tastverhältnisbereich und ein zweiter Tastverhältnisbereich vorgesehen sind, wobei die Tastverhältnisbereiche zwei zueinander entgegengesetzte Drehrichtungen eines Rotors des bürstenlosen Elektromotors definieren und das Tastverhältnis innerhalb der Tastverhältnisbereiche die Geschwindigkeit des Rotors des bürstenlosen Elektromotors definiert. Soll beispielsweise der Rotor des bürstenlosen Elektromotors über eine bestimmte Zeitspanne im Uhrzeigersinn und mit einer bestimmten Drehzahl rotieren, empfängt die Dekodiereinheit von der fahrzeugseitigen Steuereinheit ein Pulsweitenmodulations-Steuersignal in einem ersten Tastverhältnisbereich, welcher der Drehrichtung im Uhrzeigersinn zugeordnet ist, mit einem der Drehzahl des Rotors zugeordneten Tastverhältnis. Anderenfalls, d.h. wenn der bürstenlose Elektromotor gegen den Uhrzeigersinn und mit einer anderen Drehzahl rotieren soll, erhält die Dekodiereinheit ein Pulsweitenmodulations-Steuersignal in dem zweiten Tastverhältnisbereich mit einem der Drehzahl entsprechenden Tastverhältnis. Auf diese Weise können die Richtungs- und Geschwindigkeitsinformationen einfach von der fahrzeugseitigen Steuereinheit an die bauteilseitige Steuereinheit übermittelt werden. Das Tastverhältnis ist ein Zeitverhältnis zwischen einer Pulsdauer bzw. Pulsbreite bezogen auf eine Periodendauer. Alternativ kann statt Tastverhältnis auch der Kennwert Tastgrad verwendet werden, wobei das Tastverhältnis eine dimensionslose Zahl ist, wird der Tastgrad in Prozent angegeben.
Vorzugsweise weist die Schaltung der fahrzeugseitigen Steuereinheit zumindest einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter auf, wobei in einer geschlossenen Stellung des ersten Schalters ein Gleichspannungsanschluss der bauteilseitigen Steuereinheit mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, und wobei durch ein Umschalten zwischen einer Schließ- und einer Offenstellung des zweiten Schalters ein Steuersignaleingang der bauteilseitigen Steuereinheit derart mit der Masse verbindbar ist, dass das Pulsweitenmodulations-Steuersignal erzeugbar ist. Dadurch kann die ursprüngliche, für die Ansteuerung des Bürstenmotors verwendete Schaltung zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors verwendet werden, wobei ausschließlich die Ansteuerung der Schalter angepasst werden muss. Dadurch kann auf eine einfache und kostengünstige Weise der Bürstenmotor durch einen bürstenlosen Elektromotor ersetzt werden, wobei bei der Kommunikation zwischen der fahrzeugseitigen Steuereinheit und der bauteilseitigen Steuereinheit keine Leistungstaktung erfolgt und dadurch die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert ist.
Vorzugsweise ist die Schaltung eine H-Brückenschaltung mit zwei Highside-Schaltern und zwei Lowside-Schaltern, wobei der erste Schalter ein Highside-Schalter ist und zur Bereitstellung der konstanten Eingangsgleichspannung dauerhaft geschlossen ist, der zweite Schalter ein Lowside-Schalter ist und zur Erzeugung des Pulsweitenmodulations-Steuersignal zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung verstellbar ist, und wobei die weiteren Schalter dauerhaft geöffnet sind. Die H-Brückenschaltung ist eine bekannte und gängige Art zur Ansteuerung von Elektromotoren. Durch die Nutzung der H-Brückenschaltung kann der bürstenlose Elektromotor auf eine einfache und kostengünstige Weise angesteuert werden, wobei durch die Trennung der Eingangsgleichspannung und des Pulsweitenmodulations-Steuersignal die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der bürstenlose Elektromotor als mehrphasiger Elektromotor mit n Phasen ausgeführt, wobei mehrphasige Elektromotoren einen relativ hohen Wirkungsgrad aufweisen.
Vorzugsweise ist eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung der Rotorposition eines Rotors des bürstenlosen Elektromotors vorgesehen, wobei das Pulsweitenmodulations-Steuersignal des bürstenlosen Elektromotors in Abhängigkeit von der Rotorposition des Rotors generierbar ist. Vorzugsweise weist die Erfassungsvorrichtung mehrere Hall-Sensoren auf. Durch den Einsatz einer Erfassungsvorrichtung mit mehreren Sensoren kann die Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors im Vergleich zu einer sensorlosen Ansteuerung, d.h. der sensorlosen Erfassung der Rotorposition, vereinfacht werden, wobei die sensorlose Ansteuerung lediglich bei ausgewählten Arten von Elektromotoren einsetzbar ist und die Erfassung der Rotorposition bei geringen Drehzahlen und im Stillstand nicht möglich ist. Vorzugsweise weist die Erfassungsvorrichtung mehrere Hall-Sensoren auf, wobei die Sensorsignale der Hall-Sensoren auf eine aus dem Stand der Technik bekannte Weise zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors genutzt werden. Durch ein derartiges System kann eine für einen Gleichstrom-Bürstenmotor vorgesehene fahrzeugseitige Steuereinheit bzw. die Schaltstruktur der fahrzeugseitigen Steuereinheit ohne eine Veränderung für die Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors verwendet werden, wobei durch die Vermeidung einer Leistungstaktung eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit erzielt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm des Systems zum Steuern einer Bewegung eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs,
Figur 2 zeigt eine Darstellung mehrerer Pulsweitenmodulations-Steuersignale mit konstanten Tastverhältnissen, und
Figur 3 zeigt eine Darstellung einer Decodierung des Pulsweitenmodulations-Steuersignals.
Figur 1 zeigt eine schematische Skizze eines Systems 10 zum Steuern eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs. Ein derartiges Bauteil ist insbesondere ein Ventilkörper eines Ventils, wobei der Ventilkörper mittels des Systems 10, welches als Aktuator dient, verstellt wird. Das System 10 umfasst im Wesentlichen eine fahrzeugseitige Steuereinheit 20, eine bauteilseitige Steuereinheit 40 und einen bürstenlosen Elektromotor 60, einen sogenannten BLDC-Motor oder EC-Motor.
Der bürstenlose Elektromotor 60 umfasst einen Stator 62 und einen Rotor
64, wobei der Rotor 64 auf einer in einem nicht gezeigten Gehäuse drehbar gelagerten Welle 66 drehfest angeordnet ist. Der Stator 62 ist gehäusefest angeordnet und weist eine Statorwicklung mit drei Phasen Al, Bl, CI auf, wobei die Phasen Al, Bl, CI in Abhängigkeit von einer Position des Rotors 64 angesteuert werden. Zur Ermittlung der Rotorposition ist eine Erfassungsvorrichtung 70 mit mehreren Hallsensoren 71 vorgesehen, wobei die Erfassungsvorrichtung 70 über eine Signal- und Stromleitung 72 mit der fahrzeugseitigen Steuereinheit 20 verbunden ist.
Die fahrzeugseitige Steuereinheit 20 weist eine Zwei-Kabel-Schnittstelle
33 und eine H-Brückenschaltung 22 auf, welche ursprünglich zur Ansteuerung eines Bürstenmotors verwendet wurden. Die H-Brückenschaltung 22 umfasst zwei Highside-Schalter 24, 26 und zwei Lowside-Schalter 28, 30, wobei ein erstes Kabel 36 einer Zwei-Kabel-Verbindung 34 ausgehend von Pfad zwischen einem ersten Highside-Schalter 24 und einem ersten Lowside-Schalter 28 zum Bürstenmotor führt und ein zweites Kabel 38 der Zwei-Kabel-Verbindung
34 ausgehend von einem zweiten Pfad zwischen einem zweiten Highside-Schalter 26 und einem zweiten Lowside-Schalter 30 zum Bürstenmotor führt. An den Highside-Schaltern 24, 26 liegt eine Bordspannung des Kraftfahrzeugs von beispielsweise 12V, 24V, 36V oder 48 V an. An den Lowside-Schaltern 28, 30 liegt das Erdpotential bzw. die Masse 32 dauerhaft an. Bei der ursprünglichen Verwendung der H-Brückenschaltung 22 zur Ansteuerung eines Bürstenmotors werden der erster Highside-Schalter 24 und der zweite Lowside-Schalter 30 geschlossen, woraus sich ein Stromfluss in eine erste Richtung einstellt und dadurch der Rotor des Bürstenmotors in eine erste Richtung rotiert. Anderenfalls werden der zweite Highside-Schalter 26 und der erste Lowside-Schalter 28 geschlossen, wodurch der Stromfluss umgekehrt wird und dadurch der Rotor des Bürstenmotors in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte, zweite Richtung rotiert. Die identische H-Brückenschaltung 22 der fahrzeugseitigen Steuereinheit 20 wird auch zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors 60 verwendet, wobei die Betätigung der Schalter 24, 26, 28, 30 verändert wird. Zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors 60 wird der erste Highside-Schalter 24 dauerhaft geschlossen, wodurch eine konstante Eingangsgleichspannung von der fahrzeugseitigen Steuereinheit 24 über das erste Kabel 36 der Zwei-Kabel-Verbindung 34 an die bauteilseitige Steuereinheit 40 übertragen wird. Weiterhin wird der zweite Lowside-Schalter 30 zur Erzeugung eines
Pulsweitenmodulations-Steuersignal zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung verstellt. Der zweite Highside-Schalter 26 und der erste Lowside-Schalter 28 sind dauerhaft offen. Alternativ kann auch der zweite Highside-Schalter 26 dauerhaft geschlossen sein und der erste Lowside-Schalter 28 zur Erzeugung eines
Pulsweitenmodulations-Steuersignal zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung verstellt werden. Auf diese Weise wird über das erste Kabel 36 eine konstante Eingangsgleichspannung und über das zweite Kabel 38 das Pulsweitenmodulations-Steuersignal, welches lediglich ein digitales Signal ist, an die bauteilseitige Steuereinheit 40 übertragen.
Die bauteilseitige Steuereinheit 40 umfasst eine Dekodiereinheit 42 und einen Motortreiber 44. Die Dekodiereinheit 42 empfängt das von der fahrzeugseitigen Steuereinheit 20 ausgehende und durch die Verstellung des zweiten Lowside-Schalters 30 generierte Pulsweitenmodulations-Steuersignal und dekodiert dieses. Die Dekodierung erfolgt anhand eines in der Dekodiereinheit 42 hinterlegten und in Figur 3 gezeigten Dekodierdiagramms, wobei in Abhängigkeit vom Tastverhältnis des Pulsweitenmodulations-Steuersignals die Soll-Drehrichtung und die Soll-Drehzahl des Rotors 64 des bürstenlosen Elektromotors 60 ermittelt wird. Dabei weist das Dekodierdiagramm einen ersten Tastverhältnisbereich Dl und einen zweiten Tastverhältnisbereich D2, wobei die Tastverhältnisbereiche Dl, D2 zwei zueinander entgegengesetzte Drehrichtungen des Rotors 64 definieren und das Tastverhältnis innerhalb der Tastverhältnisbereiche Dl, D2 die Geschwindigkeit des Rotors 64 definiert. In den Figuren 2a, 2b und 2c sind drei, unterschiedliche Pulsweitenmodulations-Steuersignale für eine konstante Drehzahl des Rotors 64 dargestellt, wobei sich ein Rechtecksignal zwischen 0 V und einer geringen Spannung, welche mit 1 gekennzeichnet ist, ändert. Das Rechtecksignal erstreckt sich über eine Periodendauer P und weist eine Einschaltzeit ton und eine Ausschaltzeit tOfr auf. In Figur 2a ist ein Pulsweitenmodulations-Steuersignal mit einem Tastverhältnis von 0,5 bzw. einem Tastgrad von 50% dargestellt, welches auch in dem Dekodierdiagramm in Figur 3 eingezeichnet ist und einem Stillstand des Rotors 64 zugeordnet ist. In Figur 2b ist ein Pulsweitenmodulations-Steuersignal mit einem Tastverhältnis von 0,25 dargestellt, welches gemäß dem Dekodierdiagramm aus Figur 3 einer Ansteuerung des Rotors 64 mit einer Drehzahl von 50% der Maximaldrehzahl und einer ersten Drehrichtung entspricht. In Figur 2c ist ein Pulsweitenmodulations-Steuersignal mit einem Tastverhältnis von 0,75 dargestellt, welches gemäß dem Dekodierdiagramm aus Figur 3 einer Ansteuerung des Rotors 64 mit einer Drehzahl von 50% der Maximaldrehzahl und einer zweiten Drehrichtung entspricht. Bei einem Beschleunigen des Rotors 64 steigt das Tastverhältnis bis zur gewünschten Drehzahl stetig an.
Die aus dem Pulsweitenmodulations-Steuersignal dekodierten Richtungs- und Geschwindigkeitsinformation werden über eine Signalleitung 46 an den Motortreiber 44 übermittelt. Der Motortreiber 44 umfasst eine Schaltung, insbesondere mindestens eine Brückenschaltung, zur Ansteuerung der drei Phasen Al, Bl, CI über jeweils eine Phasenleitung 52, 54, 56 und mittels eines
Mehrphasenstromansteuersignals. Der entscheidende Vorteil einer derartigen Ausgestaltung des Systems 10 ist, dass keine Leitungstaktung über die Zwei-Kabel-Verbindung 34 erfolgt, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert wird.
Es sollte deutlich sein, dass verschiedene konstruktive Änderungen der Stellvorrichtung denkbar sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. So können beispielsweise der bürstenlose Elektromotor 60, die bauteilseitige und/oder die fahrzeugseitige Steuereinheit 20 anders ausgeführt sein.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E System zum Steuern einer Bewegung eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs, mit einem bürstenlosen Elektromotor (60), einer fahrzeugseitigen Steuereinheit (20), welche eine Schaltung (21) und eine Zwei-Kabel-Schnittstelle (33) zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors (60) oder eines Bürstenmotors aufweist, und einer bauteilseitigen Steuereinheit (40), welche über die Zwei-Kabel-Schnittstelle (33) mit der fahrzeugseitigen Steuereinheit (20) verbunden ist, wobei die bauteilseitige Steuereinheit (40) einen Motortreiber (44) aufweist, welcher ein
Mehrphasenstromansteuersignal zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors (60) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (21) der fahrzeugseitigen Steuereinheit (20) derart ausgeführt ist, dass über einen ersten Anschluss (35) der Zwei-Kabel-Schnittstelle (33) eine konstante Eingangsgleichspannung und über einen zweiten Anschluss (37) der Zwei-Kabel-Schnittstelle (33) ein Pulsweitenmodulations-Steuersignal bereitgestellt werden, wobei das Mehrphasenstromansteuersignal basierend auf der konstanten Eingangsgleichspannung und dem Pulsweitenmodulations-Steuersignal generierbar ist. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bauteilseitige Steuereinheit (40) eine Dekodiereinheit (42) zur Dekodierung des Pulsweitenmodulations-Steuersignal aufweist, wobei die Dekodiereinheit die Richtungs- und Geschwindigkeitsinformationen aus dem
Pulsweitenmodulations-Steuersignal ermittelt und der Motortreiber (44) basierend auf dem dekodierten
Pulsweitenmodulations-Steuersignal und der konstanten Eingangsgleichspannung das Mehrphasenstromansteuersignal bereitstellt. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dekodiereinheit (42) derart ausgeführt ist, dass ein erster Tastverhältnisbereich (Dl) und ein zweiter Tastverhältnisbereich (D2) definiert sind, wobei die Tastverhältnisbereiche (Dl, D2) zwei zueinander entgegengesetzte Drehrichtungen eines Rotors (64) des bürstenlosen Elektromotors (60) definieren und das Tastverhältnis innerhalb der Tastverhältnisbereiche die Geschwindigkeit des Rotors (64) des bürstenlosen Elektromotors (60) definiert. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (21) der fahrzeugseitigen Steuereinheit (20) zumindest einen ersten Schalter (23) und einen zweiten Schalter (25) aufweist, wobei in einer geschlossenen Stellung des ersten Schalters (23) ein Gleichspannungsanschluss (39) der bauteilseitigen Steuereinheit (20) mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, und wobei durch ein Umschalten zwischen einer Schließ- und einer Offenstellung des zweiten Schalters (25) ein Steuersignaleingang der bauteilseitigen Steuereinheit (41) derart mit der Masse (32) verbindbar ist, dass ein Pulsweitenmodulations-Steuersignal erzeugbar ist. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - 15 - die Schaltung (21) eine H-Brückenschaltung (22) mit zwei Highside-Schaltern (24, 26) und zwei Lowside-Schaltern (28, 30) ist, wobei der erste Schalter (23) ein Highside-Schalter (24, 26) ist und zur Bereitstellung des konstanten Eingangsgleichstroms dauerhaft geschlossen ist, der zweite Schalter (25) ein Lowside-Schalter (28, 30) ist und zur Erzeugung des Pulsweitenmodulations-Steuersignal zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung verstellbar ist, und wobei die weiteren Schalter dauerhaft geöffnet sind. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bürstenlose Elektromotor (60) als mehrphasiger Elektromotor mit n Phasen ausgeführt ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungsvorrichtung (70) zur Erfassung der Rotorposition eines Rotors (64) des bürstenlosen Elektromotors (60) vorgesehen ist, wobei das Pulsweitenmodulations-Steuersignal des bürstenlosen Elektromotors (60) in Abhängigkeit von der Rotorposition des Rotors (64) generierbar ist. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungsvorrichtung (70) mehrere Hall-Sensoren aufweist.
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