Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines einen mechanischen Kommutator aufweisenden Elektromotors.

Elektromotoren (für Gleichstrom und für Wechselstrom) weisen einen Kommu tator auf, der entweder mechanisch ausgeführt ist und damit Bürsten aufweist oder aber elektronisch realisiert wird, womit der Elektromotor bürstenlos ist. Bei bürsten behafteten und damit mechanischen Kommutatoren kommt es zur Fun kenbildung an den Bürsten, weshalb diese im Laufe der Zeit durch Erosion ver schleißen. Außerdem erzeugt das sogenannte "Bürstenfeuer" Geräusche und unerwünschte elektromagnetische Abstrahlungen.

Aus DE-A-10 2010 017 835 sind ein Verfahren zur Verarbeitung einer Motorgrö ße eines Gleichstrommotors eines Kraftfahrzeugstellantriebs sowie eine Stellein richtung hierfür bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren und bei dieser be kannten Einrichtung soll dafür gesorgt werden, dass Versorgungsspannungs schwankungen ausgeglichen werden.

In DE-A-10 2008 018 818 ist ein elektrisches Motoransteuerungsverfahren mit Lastmomentanpassung beschrieben, während DE-A-10 2016 101 905 ein Ver fahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für ein Verstellelement eines Kraft fahrzeugs offenbart.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ansteuerung eines einen me chanischen Kommutator aufweisenden Elektromotors anzugeben, dessen Bürs ten weniger stark verschleißen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Ansteue rung eines einen mechanischen Kommutator aufweisenden Elektromotors vor geschlagen, wobei bei dem Verfahren mittels eines Sensors oder sensorlos diejenigen Zeitpunkte ermittelt wer den, zu denen eine Kommutierung erfolgt, der Elektromotor mittels eines eine Folge von Pulsen aufweisenden Versor gungsspannungssignals angesteuert wird und das Versorgungsspannungssignal zur Reduktion seiner Größe zu den Kom mutierungszeitpunkten mittels eines Modulationssignals moduliert wird.

Der erfindungsgemäße Elektromotor mit mechanischem Kommutator wird mit tels eines Versorgungsspannungssignals angesteuert, das eine Folge von Pulsen aufweist. Bei diesem Signal handelt es sich typischerweise um ein pulsweiten moduliertes oder um ein pulsdichtemoduliertes Signal. Dieses Versorgungs spannungssignal wird nun erfindungsgemäß mittels eines Modulationssignals noch zusätzlich dergestalt moduliert, dass die effektive Größe der Versorgungs spannung zu den Kommutierungszeitpunkten reduziert ist und zwar im Wesent lichen auf Null Volt reduziert ist (zur Bedeutung von "im Wesentlichen Null Volt" siehe weiter unten). Damit kann die Funkenbildung, die Geräuschentwicklung und die elektromagnetische Abstrahlung zu den Kommentierungszeitpunkten reduziert werden. Somit reduziert sich u.a. die Gefahr des Verschleißes der Bürsten infolge von Funkenerosion.

Neben den beiden zuvor genannten Modulationsverfahren eignen sich auch ei ne Puls-Amplituden-Modulation (PMA), Puls-Frequenz-Modulation (PFM), Puls- Weiten-Modulation (PWM), Puls-Pausen-Modulation (PPM), Puls-Phasen-Modu- lation (PPM) und Puls-Position-Modulation (PPM), wie beispielsweise beim Man chester Code.

Für das erfindungsgemäße Verfahren bedarf es der Kenntnis der Kommutie rungszeitpunkte. Dies kann durch im Stand der Technik grundsätzlich bekann te Verfahren mittels eines Sensors oder aber auch sensorlos erfolgen. Als Sen sor eignet sich vorteilhafterweise ein Hall Sensor. Beispiele für die sensorlose Ermittlung der Kommutierungszeitpunkte anhand der Detektion von Stromrip pein im Ankerstromsignal sind in DE 42 17 265 C2 und DE 195 11 307 CI be- schrieben.

Wie bereits oben erwähnt, wird die Versorgungsspannung für den Elektromotor mittels eines beispielsweise pulsweitenmodulierten oder pulsdichtemodulierten Versorgungsspannungssignals bereitgestellt. Damit nun dieses Pulse aufweisen den Versorgungsspannungssignal zu einer reduzierten Versorgungsspannung zu den Kommutierungszeitpunkten führt, wird mittels des Modulationssignals die Pulsweite bzw. die Pulsdichte moduliert, so dass sich idealerweise zu den Kom mutierungszeitpunkten eine Versorgungsspannung von im Wesentlichen Null Volt ergibt. Mit "im Wesentlichen Null Volt" ist dabei eine Größe der Versor gungsspannung gemeint, die z.B. kleiner als 20% oder kleiner als 15% oder kleiner als 10% oder kleiner als 5% der Nenn-Versorgungsspannung ist. Trotz dieser Reduktion der Größe der Versorgungsspannung zu den Kommutierungs zeitpunkten sollte aber die mittlere Größe der Versorgungsspannung weiterhin auf dem Pegel bleiben, der für den aktuellen Betrieb des Elektromotors erfor derlich ist. Bei einem Gleichstrommotor als Elektromotor bedeutet dies, dass durch das Modulationssignal und die sich daraus ergebende zusätzliche Modu lation des die Pulse aufweisenden Versorgungsspannungssignals dessen Gleich spannungsanteil unverändert bleibt, was in diesem Fall vorteilhafterweise da durch realisiert wird, dass das Modulationssignal ein Wechselsignal, beispiels weise ein Sinussignal ist. Die Phasenlage des Modulationssignals wird so ge wählt, dass das Modulationssignal zu den Kommutierungszeitpunkten einen Mi nimalwert annimmt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von Vorteil, wenn bei der sensor losen Kommutierungszeitpunktdetektion zumindest minimale Rippel im Anker stromsignal erscheinen. Dies muss aber nicht zwingend dauerhaft der Fall sein. Es ist nämlich auch möglich, dass die Rippel zumindest zeitweise gänzlich ver schwinden, da die Regelung nur in den seltensten Fällen derart ausgestaltet sein wird, dass man dauerhaft "ideal regelt", was dazu führt, dass keine Rippel im Ankerstromsignal mehr auftreten, werden also von Zeit zu Zeit immer wieder einmal Rippel auftauchen. Das aber ist an sich von Vorteil für das erfindungs- gemäße Verfahren, wenn die Kommutierungszeitpunktdetektion sensorlos er folgt. Denn dann kann sich die Regelung immer wieder "aufschalten".

Anders ist die Situation bei der Detektion der Kommutierungszeitpunkte mittels einer entsprechenden Sensorik.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter ansprüche.

Mit der Erfindung ist es möglich, bestehende Elektromotoren, insbesondere DC- Elektromotoren, mit mechanischem Kommutator, durch die erfindungsgemäße Ansteuerung aufzuwerten. Auch lassen sich durch das erfindungsgemäße An steuerungsverfahren überall dort kostengünstige Elektromotoren mit mechani schem Kommutator einsetzen, wo bisher aus Gründen von Bürstenverschleiß, störender Geräuschentwicklung und EMV-Störungen bürstenlose Elektromoto ren eingesetzt worden sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:

Fig. 1 schematisch als Blockschaltbild die Hauptkomponenten zur erfin dungsgemäßen Ansteuerung eines Gleichstrom-Elektromotors,

Fign. 2a bis 2e verschiedene Signalverläufe zur Verdeutlichung der erfindungsgemäß modulierten Ansteuerung des Gleichstrom-Elektromotors zur Reduk tion des Verschleißes der Bürsten des Elektromotors, hier beispielhaft mit sinusförmigem Verlauf und einer Realisation über die Modulation der Pulsweite (d.h. mittels Pulsweitenmodulation, Fig. 2d), und

Fign. 3a und 3b den Verlauf alternativer Modulationssignale. In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild gezeigt, das die Ansteuerung eines DC-Elektro- motors 10 zeigt. Der Elektromotor 10 ist mit einem mechanischen Kommutator 12 versehen, der typischerweise zwei Bürsten 14 aufweist, an die die Versor gungsspannung U angelegt wird. Diese Versorgungsspannung U wird mittels ei nes Pulse aufweisenden Versorgungsspannungssignals 16 bereitgestellt, das in diesem Ausführungsbeispiel von einem PWM-Generator 18 erzeugt wird. Der PWM-Generator 18 erzeugt eine Folge von pulsweitenmodulierten Pulsen, die zu demjenigen Gleichspannungsanteil führen, mit dem der Elektromotor 10 auf grund der aktuell anstehenden Lastanforderungen angesteuert wird.

Die Pulsfolge des Versorgungsspannungssignals 16 ist beispielhaft in Fig. 2a ge zeigt. Die Pulsweite der einzelnen Pulse 20 ist ohne die erfindungsgemäße Maß nahme im Wesentlichen statisch, wenn davon ausgegangen wird, dass sich die Lastanforderungen nicht ändern. In Fig. 2b ist der anzutreffende Ankerstrom verlauf 22 in einem exemplarischen Verlauf gezeigt, wie er sich einstellt, wenn der Elektromotor 10 mit dem Versorgungsspannungssignal 16 gemäß Fig. 2a angesteuert wird. Zu den Kommutierungszeitpunkten 24 bilden sich im Anker stromsignal 22 Stromrippel 26 aus, die zu Verschleiß und Störungen führen, was erfindungsgemäß vermieden werden soll.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß das die Pulsfolge aufweisende Versor gungsspannungssignal 16 weiter moduliert, und zwar mittels eines Modulations signals 28, das durch einen Modulator 30 erzeugt wird. Gemäß Fig. 2c handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel bei dem Modulationssignal 28 um ein Si nussignal, dessen Amplitude 32 im Wesentlichen die gleiche Größe aufweist wie der Gleichspannungsanteil 34 der Versorgungsspannung U. Die Lage und Fre quenz des Modulationssignals 28 sind nun derart gewählt, dass die Minima des Sinussignals (Modulationssignal 28) jeweils in Phase mit den Kommutierungs zeitpunkten 24 liegen. Durch diese Modulation des Versorgungsspannungssi gnals 16 ändert sich dessen Gleichspannungsanteil 34 nicht, wohl aber die Grö ße der Versorgungsspannung U zu den Kommutierungszeitpunkten 24, und zwar hier exemplarisch auf Null Volt. Die Ermittlung der Kommutierungszeitpunkte 24 erfolgt in diesem Ausführungs beispiel gemäß Blockschaltdiagramm nach Fig. 1 durch einen Sensor 36, des sen Ausgangssignal 38 einer Steuereinheit 40 in Form beispielsweise eines Mi krocontroller zugeführt wird, der wiederum ein Ausgangssignal 42 an den Mo- dulator 30 ausgibt. Alternativ ist es auch möglich, dass das Ausgangssignal 38 des Sensors 36, bei dem es sich typischerweise um einen Hall Sensor handelt, direkt dem Modulator 30 zugeführt wird. Eine Auswerte-Recheneinheit wie bei spielsweise ein Mikrocontroller, kann erforderlich sein, wenn die Kommutie rungszeitpunkte 24 sensorlos ermittelt werden. Die entsprechenden Technolo- gien und Verfahren für die sensorlose Ermittlung der Kommutierungszeitpunk te 24 eines Elektromotors sind grundsätzlich bekannt und sollen hier nicht wei ter ausgeführt werden.

Das Ergebnis der Modulation des Versorgungsspannungssignals ist beispielhaft angedeutet in Fig. 2d. Der zeitliche Verlauf der Versorgungsspannung U wech selt demzufolge zwischen im Wesentlichen Null Volt zu den Kommutierungszeit punkten 24 und dem doppelten Gleichspannungsanteil 34 in der Mitte der In tervalle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungszeitpunkten 24, wie in Fig. 2e gezeigt, so dass der Gleichspannungsanteil 34 im Mittel unverän- dert bleibt gegenüber der anhand von Fig. 2a beschriebenen Situation.

In den Fign. 3a und 3b sind zwei weitere Beispiele angegeben, in denen der Ver lauf alternativer Modulationssignale 28' und 28" gezeigt ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Elektromotor 12 Kommutator 14 Bürsten

16 Versorgungsspannungssignal 18 PWM-Generator

20 Pulse des Versorgungsspannungssignals 22 Ankerstromsignal 24 Kommutierungszeitpunkte 26 Stromrippel im Ankerstromsignal 28 Modulationssignal 28' Modulationssignal 28" Modulationssignal 30 Modulator

32 Amplitude des Modulationssignals 34 Gleichspannungsanteil 36 Sensor

38 Ausgangssignal des Sensors 40 Steuereinheit

42 Ausgangssignal der Steuereinheit U Versorgungsspannung