Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors

Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors.

Sicherheitsrelevante Systeme müssen im Falle einer gefährlichen Fehlfunktion in einen sicheren Betriebszustand versetzt werden. Beispielsweise spezifiziert die Norm ISO 26262 Sicherheitsanforderungsstufen ASIL (= automotive safety integrity level) für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen.

In einigen Anwendungen mit elektronisch gesteuerten bürstenlosen

Gleichstrommotoren wird ein sicherer Systemzustand beispielsweise erreicht, indem der bürstenlose Gleichstrommotor aktiv in einen vorher festgelegten

Betriebszustand, beispielsweise einen ausgekoppelten Zustand im Falle eines Getriebeaktuators, gefahren wird. Alternativ kann das System mit mechanischen Mitteln, beispielsweise durch Auskopplung mittels einer Feder, oder mit

Mikrocontrollerunterstützung in einen sicheren Betriebszustand gefahren werden, wodurch jedoch die Wahrscheinlichkeit, Betriebszustände hoher

Sicherheitsanforderungsstufen zu erreichen, im Falle von Fehlfunktionen des elektronischen Antriebssteuerungssystems teilweise erheblich reduziert wird.

WO 2014/173792 A2 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer durch Pulsweitenmodulation gesteuerten elektronischen Kommutierung im Fall einer Fehlfunktion. Nach Signalisierung der Fehlfunktion wird der Rotor des bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer vorgegebenen Flöchstanzahl von Kommutierungsschritten in einer vorgegebenen Motordrehrichtung gedreht und der bürstenlose Gleichstrommotor wird danach in einen ausgewählten Betriebsendzustand versetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte

Motorsteuerungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum sicheren

Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors im Fall einer Fehlfunktion anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Motorsteuerungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Motorsteuerungsvorrichtung für einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor umfasst einen Stromrichter, der für jede Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors eine elektrische Halbbrücke mit zwei

elektronischen Schaltern aufweist, und eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung zur Ansteuerung der elektronischen Schalter des Stromrichters. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ist in einem Normalbetrieb von einer programmierbaren Steuereinheit steuerbar, weist eine erste Schnittstelle zum Empfang eines eine Fehlfunktion signalisierenden Fehlersignals auf und ist dazu ausgebildet, den Stromrichter nach dem Empfang des Fehlersignals unabhängig von der programmierbaren Steuereinheit in einen definierten Betriebsendzustand zu versetzen.

Die erfindungsgemäße Motorsteuerungsvorrichtung ermöglicht es, einen bürstenlosen Gleichstrommotor bei einer sicherheitsrelevanten Fehlfunktion ohne Unterstützung einer programmierbaren Steuereinheit aktiv und kontrolliert direkt durch eine die elektronischen Schalter des Stromrichters ansteuernde

anwendungsspezifische integrierte Schaltung in einen sicheren Betriebszustand zu versetzen, der durch einen Betriebsendzustand des Stromrichters definiert wird. Dadurch wird insbesondere verhindert, dass das Erreichen des sicheren

Betriebszustands durch Fehler der programmierbaren Steuereinheit wie

unerwünschte Bitflips verhindert wird.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ein Bremsbitregister zum Setzen eines Bremsbit und ein Zählregister zum Speichern eines Zählwertes für den Schaltzustand des Stromrichters ändernde Kommutierungen auf und ist dazu ausgebildet, im Fall, dass bei dem Empfang des Fehlersignals das Bremsbit gesetzt ist, den Stromrichter sofort in den

Betriebsendzustand zu versetzen, wenn der Zählwert größer als Null ist, und den Stromrichter vor dem Versetzen des Stromrichters in den Betriebsendzustand für eine definierte Bremszeitdauer in einen Bremsmodus zum Bremsen des bürstenlosen Gleichstrommotors zu versetzen, wenn der Zählwert Null ist. Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht ein kontrolliertes Bremsen des bürstenlosen Gleichstrommotors, bevor der Motor in den sicheren

Betriebszustand versetzt wird, sofern das Bremsen durch das Setzen des Bremsbit vorgesehen ist und dem Bremsen keine durch den Zählwert des Zählregisters vorgesehenen Rotationen des Motors im Wege stehen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung außerdem eine zweite Schnittstelle zum Empfang wenigstens eines eine Rotorstellung eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors anzeigenden Sensorsignals auf und ist dazu ausgebildet, im Fall, dass bei dem Empfang des Fehlersignals das Bremsbit nicht gesetzt ist und der Zählwert größer als Null ist, vor dem Versetzen des Stromrichters in den Betriebsendzustand den Schaltzustand des Stromrichters durch wenigstens eine Kommutierung zu ändern und nach jeder Kommutierung zu prüfen, ob die Kommutierung eine Änderung der Rotorstellung des Rotors bewirkt hat, und den Zählwert im Fall einer erfolgten Änderung der Rotorstellung um Eins zu dekrementieren bis der Zählwert Null ist.

Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht, gemäß dem Zählwert des Zählregisters vorgesehene Rotationen des Motors auszuführen, bevor der Motor in den sicheren Betriebszustand versetzt wird.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung einen Zeitgeber auf und ist dazu ausgebildet, den Zeitgeber nach dem Empfang des Fehlersignals zu starten und den Stromrichter nach Ablauf einer definierten Zeitspanne seit dem Starten des Zeitgebers in den

Betriebsendzustand zu versetzen.

Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht, den Motor spätestens nach Ablauf der Zeitspanne in den sicheren Betriebszustand zu versetzen, insbesondere auch dann, wenn beispielsweise der Rotor des bürstenlosen

Gleichstrommotors blockiert, daher nicht weitergedreht werden kann und somit eine Ausführung einer durch den Zählwert des Zählregisters vorgegebenen Anzahl von Rotordrehungen nicht realisiert werden kann.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in dem Betriebsendzustand des Stromrichters alle elektronischen Schalter ausgeschaltet. Dadurch wird ein Freilauf des Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors und somit ein sicherer Betriebszustand des Motors ermöglicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer erfindungsgemäßen

Motorsteuerungsvorrichtung wird jede Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer elektrischen Halbbrücke des Stromrichters verbunden, die elektronischen Schalter des Stromrichters werden mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung angesteuert, die anwendungsspezifische integrierte Schaltung wird in einem Normalbetrieb von einer programmierbaren Steuereinheit gesteuert, und der Stromrichter wird von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung nach dem Empfang des Fehlersignals unabhängig von der programmierbaren

Steuereinheit in den definierten Betriebsendzustand versetzt.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ein Bremsbitregister zum Setzen eines Bremsbit und ein Zählregister zum Speichern eines Zählwertes für den Schaltzustand des

Stromrichters ändernde Kommutierungen auf und im Fall, dass bei dem Empfang des Fehlersignals das Bremsbit gesetzt ist, wird von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung der Stromrichter sofort in den Betriebsendzustand versetzt, wenn der Zählwert größer als Null ist, und der Stromrichter wird vor dem Versetzen in den Betriebsendzustand für eine definierte Bremszeitdauer in einen Bremsmodus zum Bremsen des bürstenlosen Gleichstrommotors versetzt, wenn der Zählwert Null ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eine zweite Schnittstelle zum Empfang wenigstens eines eine Rotorstellung eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors anzeigenden Sensorsignals auf und von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung wird im Fall, dass bei dem Empfang des Fehlersignals das Bremsbit nicht gesetzt ist und der Zählwert größer als Null ist, vor dem Versetzen des Stromrichters in den Betriebsendzustand der Schaltzustand des Stromrichters durch wenigstens eine Kommutierung geändert und nach jeder Kommutierung wird geprüft, ob die

Kommutierung eine Änderung der Rotorstellung des Rotors bewirkt hat, und der Zählwert wird im Fall einer erfolgten Änderung der Rotorstellung um Eins dekrementiert bis der Zählwert Null ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung einen Zeitgeber auf und von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung wird der Zeitgeber nach dem Empfang des Fehlersignals gestartet und der Stromrichter wird nach Ablauf einer definierten Zeitspanne seit dem Starten des Zeitgebers in den Betriebsendzustand versetzt.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden in dem

Betriebsendzustand des Stromrichters alle elektronischen Schalter ausgeschaltet.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen entsprechen den oben bereits genannten Vorteilen einer erfindungsgemäßen Motorsteuerungsvorrichtung und deren oben genannten Ausgestaltungen und werden daher hier nicht noch einmal wiederholt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von

Zeichnungen näher erläutert.

Darin zeigen:

Figur 1 ein Blockdiagramm einer Motorsteuerungsvorrichtung für einen

bürstenlosen Gleichstrommotor,

Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors in einem Fehlerfall.

Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Motorsteuerungsvorrichtung 1 für einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor 2.

Die Motorsteuerungsvorrichtung 1 umfasst einen Stromrichter 3, der für jede Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 eine elektrische Flalbbrücke 3.1 , 3.2, 3.3 aufweist. Jede Flalbbrücke 3.1 , 3.2, 3.3 weist einen ersten elektronischen Schalter H 1 , H2, H3, einen zweiten elektronischen Schalter L1 , L2, L3 und einen mit der jeweiligen Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 verbundenen

Brückenzweig auf. Die ersten elektronischen Schalter H 1 , H2, H3 sind mit einem Pluspol einer Spannungsversorgung des Stromrichters 3 verbunden. Die zweiten elektronischen Schalter L1 , L2, L3 sind mit einem Minuspol der

Spannungsversorgung des Stromrichters 3 verbunden. Die elektronischen Schalter H 1 , H2, H3, L1 , L2, L3 sind beispielsweise jeweils als ein MOSFET

(Metall-Oxid-Flalbleiter-Feldeffekttransistor) oder alternativ als ein IGBT

(Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) ausgebildet. Ferner umfasst die Motorsteuerungsvorrichtung 1 eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4 zur Ansteuerung der elektronischen Schalter H1 , H2, H3, L1 , L2, L3. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4 weist eine erste

Schnittstelle AAD zum Empfang eines Fehlersignals 5 zur Signalisierung einer sicherheitsrelevanten Fehlfunktion, eine zweite Schnittstelle FIALLx zum Empfang wenigstens eines eine Rotorstellung des Rotors des bürstenlosen

Gleichstrommotors 2 anzeigenden Sensorsignals 6, beispielsweise wenigstens eines Flallsensorsignals, sowie wenigstens eine weitere Schnittstelle 7 zum

Empfang von Motorsteuersignalen 8 auf. Die Motorsteuersignale 8 werden von einer programmierbaren Steuereinheit 9 erzeugt, von der die

anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4 in einem fehlerfreien Normalbetrieb gesteuert wird. Die Motorsteuersignale 8 sind beispielsweise

Pulsweitenmodulationssignale zur durch Pulsweitenmodulation gesteuerten Kommutierung der elektronischen Schalter H 1 , H2, H3, L1 , L2, L3.

Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4 ist dazu ausgebildet, den Stromrichter 3 nach dem Empfang des Fehlersignals 5 unabhängig von der programmierbaren Steuereinheit 9 in einen definierten Betriebsendzustand High_Z zu versetzen, in dem alle elektronischen Schalter H 1 , H2, H3, L1 , L2, L3

abgeschaltet werden und der einen Freilaufzustand des bürstenlosen

Gleichstrommotors 2 bewirkt. Dazu weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4 einen Error Flandler 10 auf, der bei dem Empfang des Fehlersignals 5 aktiviert wird und dessen Funktionsweise nachfolgend anhand von Figur 2 näher beschrieben wird. Ferner weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4 ein Zählregister 1 1 zum Speichern eines Zählwertes AAD_Step_cnt für den

Schaltzustand des Stromrichters 3 ändernde Kommutierungen, ein

Bremsbitregister 12 zum Setzen eines Bremsbit AAD_Brake und einen

Zeitgeber 13 auf.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens mit Verfahrensschritten S1 bis S9 zum Betreiben des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 nach dem Empfang des Fehlersignals 5.

In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird der Error Flandler 10 aktiviert und die Verarbeitung der von der programmierbaren Steuereinheit 9 erzeugten

Motorsteuersignale 8 wird ausgesetzt. Die nachfolgenden Verfahrensschritte S2 bis S9 werden von dem Error Flandler 10 unabhängig von der programmierbaren Steuereinheit 9 gesteuert. Nach dem ersten Verfahrensschritt S1 werden ein zweiter Verfahrensschritt S2 und ein neunter Verfahrensschritt S9 ausgeführt.

In dem zweiten Verfahrensschritt S2 wird das Bremsbitregister 12 gelesen. Wenn das Bremsbit AAD_Brake gesetzt ist, das heißt wenn AAD_Brake=1 , wird das Verfahren mit einem dritten Verfahrensschritt S3 fortgesetzt. Andernfalls, das heißt wenn AAD_Brake=0, wird das Verfahren mit einem vierten Verfahrensschritt S4 fortgesetzt.

In dem dritten Verfahrensschritt S3 wird geprüft, ob der Zählwert AAD_Step_cnt Null ist. Wenn dies der Fall ist, wird das Verfahren mit einem fünften

Verfahrensschritt S5 fortgesetzt. Andernfalls wird das Verfahren mit einem sechsten Verfahrensschritt S6 fortgesetzt.

In dem fünften Verfahrensschritt S5 wird der Stromrichter 3 für eine definierte Bremszeitdauer in einen Bremsmodus zum Bremsen des bürstenlosen

Gleichstrommotors 2 versetzt. In dem Bremsmodus werden im Normalfall alle zweiten elektronischen Schalter L1 , L2, L3 eingeschaltet und alle ersten

elektronischen Schalter H1 , H2, H3 abgeschaltet und in dem Ausnahmefall eines Kurzschlusses zwischen den ersten elektronischen Schaltern H1 , H2, H3 und den Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 alle ersten elektronischen Schalter H1 , H2, H3 eingeschaltet und alle zweiten elektronischen Schalter L1 , L2, L3 abgeschaltet. Nach dem fünften Verfahrensschritt S5 wird der sechste

Verfahrensschritt S6 ausgeführt.

In dem sechsten Verfahrensschritt S6 wird der Stromrichter in den

Betriebsendzustand High_Z versetzt.

In dem vierten Verfahrensschritt S4 wird ebenfalls geprüft, ob der

Zählwert AAD_Step_cnt Null ist. Wenn dies der Fall ist, wird das Verfahren mit dem sechsten Verfahrensschritt S6 fortgesetzt. Andernfalls wird das Verfahren mit einem siebten Verfahrensschritt S7 fortgesetzt.

In dem siebten Verfahrensschritt S7 wird der Schaltzustand des Stromrichters 3 durch eine Kommutierung geändert und nach der Kommutierung wird geprüft, ob die Kommutierung eine Änderung der Rotorstellung des Rotors bewirkt hat. Im Fall einer erfolgten Änderung der Rotorstellung wird ein achter Verfahrensschritt S8 ausgeführt. In dem achten Verfahrensschritt S8 wird der Zählwert AAD_Step_cnt um Eins dekrementiert. Nach dem achten Verfahrensschritt S8 wird wieder der siebte Verfahrensschritt S7 ausgeführt.

In dem neunten Verfahrensschritt S9 wird der Zeitgeber 12 gestartet. Nach Ablauf einer definierten Zeitspanne seit dem Starten des Zeitgebers 12 wird der sechste Verfahrensschritt S6 ausgeführt, das heißt, der Stromrichter 3 wird nach Ablauf der Zeitspanne in den Betriebsendzustand High_Z versetzt, sofern er sich dann noch nicht in dem Betriebsendzustand High_Z befindet. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Stromrichter 3 spätestens nach Ablauf der Zeitspanne in den

Betriebsendzustand High_Z versetzt wird, insbesondere auch dann, wenn der achte Verfahrensschritt S8 nicht ausgeführt wird, beispielsweise weil der Rotor des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 blockiert und daher nicht weitergedreht werden kann.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung kann in verschiedener Weise abgewandelt und ergänzt werden. Insbesondere kann es in für den

Fachmann in offensichtlicher Weise auf die Steuerung von bürstenlosen

Gleichstrommotoren 2 mit einer anderen Anzahl von Phasen abgewandelt werden.

Bezugszeichenliste

1 Motorsteuerungsvorrichtung

2 bürstenloser Gleichstrommotor 3 Stromrichter

3.1 , 3.2, 3.3 Halbbrücke

4 Steuereinheit

5 Fehlersignal

6 Sensorsignal

7, AAD, HALLx Schnittstelle

8 Motorsteuersignal

9 Steuereinheit

10 Error Händler

1 1 Zählregister

12 Bremsbitregister

13 Zeitgeber

AAD_Brake Bremsbit

AAD_Step_cnt Zähl wert

High_Z Betriebsendzustand

H1 , H2, H3 erster elektronischer Schalter

L1 , L2, L3 zweiter elektronischer Schalter S1 bis S9 Verfahrensschritt