DE102009005651B4

DE102009005651B4 - Vorrichtung zur Kontrolle einer Vielzahl von Motoren

Info

Publication number: DE102009005651B4
Application number: DE102009005651.3A
Authority: DE
Inventors: Chiping Sun; Yanhong Xue
Original assignee: Johnson Electric International AG
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: CN101540578A; CN101540578B; DE102009005651A1; US8378616B2; GB0801450D0; US20090189550A1

Abstract

Vorrichtung, umfassend:ein MCU-Modul (20), das eine MCU (21) und einen Hauptbustreiber (23) aufweist, wobei der Hauptbustreiber (23) ausgebildet ist, die MCU (21) zu aktivieren, sodass diese über einen Hauptbus (12) Signale sendet undempfängt; undeine Mehrzahl von Motormodulen (30), deren jedes einen elektronisch gesteuerten Motor (31) und einen Identifier (32) aufweist;wobei die Motormodule (30) mit dem MCU-Modul (20) elektrisch verbunden sind,wobei das MCU-Modul (20) ausgebildet ist, Steuersignale von einer CPU (10) zu empfangen und wiederum ein gewähltes Modul der Motormodule (30) anzuweisen zu arbeiten, und wobei die MCU (21) ausgebildet ist, auf der Grundlage von Informationen, die von dem Identifier (32) bereitgestellt werden, zu bestimmen, welcher Motor (31) zu wählen ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schema zum Steuern/Regeln einer Mehrzahl von Motoren, insbesondere von elektronisch gesteuerten Motoren wie bürstenlose Gleichstrommotoren und piezoelektrische Motoren, und im Besonderen eine Vorrichtung, vorzugsweise für ein Personenfahrzeug, bei der ein solches Schema zur Anwendung kommt.
Stand der Technik
Das moderne Personenfahrzeug hat im Allgemeinen viele Bedienelemente für elektrische Steuerungen. Zum Beispiel werden Bedienelemente häufig bei den Sicherheitsspiegeln, Sitzen und Klimaanlagen eines Fahrzeugs verwendet, bei letzteren zum Bedienen von Klappen oder Barrieren, die zum Steuern oder Umlenken des Luftstroms in dem Fahrzeug benutzt werden, um mehr oder weniger Luft über eine Wärmeaustauschspirale zu leiten oder Luft auf bestimmte Bereiche des Fahrzeugs zu lenken, zum Beispiel auf die Lüftungsöffnungen der Windschutzscheibe oder des Fußraums. Diese Klappen werden durch Elektromotoren bewegt, die eine Steuerung von einer zentralen Bedienungskonsole aus ermöglichen und, sofern eine solche eingebaut ist, von einer Fernbedienungskonsole. Sie ermöglichen auch eine automatische Steuerung der Klimaanlage auf der Basis einer Sensorrückmeldung etc.
Früher waren solche Motoren normalerweise PMDC-Bürstenmotoren (Permanentmagnet-Gleichstrom-Bürstenmotoren). Diese Motortypen sind problemlos manuell zu steuern, haben eine akzeptable Lebensdauer und sind vergleichsweise preiswert. Jedoch sind sie entweder akustisch laut oder erzeugen elektrisches Rauschen oder beides. Geräusche und Rauschen werden bei modernen Personenfahrzeugen zunehmend ein Problem. Akustische Geräusche werden inzwischen sehr stark wahrgenommen, da die Fahrgastzellen gegenüber der Straße und den Motorgeräuschen wirksam isoliert sind. Elektrorauschen ist ebenfalls wesentlich, da das moderne Fahrzeug nicht nur ein, sondern mehrere Computersysteme und andere elektronische Geräte besitzt, die rauschanfällig sind. Für computergesteuerte Automatiksysteme wie Memory-Systeme für Spiegel und Sitze und für eine automatische Temperaturregelung in dem Fahrgastraum sind die Motoren durch einen Computerbus wie beispielsweise einen LIN-Bus oder CAN-Bus mit dem Computer verbunden. Elektronisch gesteuerte Motoren sind für diese Art von System besser geeignet. Ein Nachteil der Verwendung von elektronisch gesteuerten Motoren sind die Kosten der Elektronik, die höher liegen als die Kosten des Motors, der gesteuert wird. Bei Klimaanlagen finden die Änderungen nur langsam statt, so dass die Motoren die meiste Zeit nicht in Betrieb sind. Bei Memory-Systemen für Sitze und Spiegel werden die Systeme meist nur betätigt, wenn ein Fahrerwechsel stattfindet.
Das typische computergesteuerte System ist in 1 gezeigt. Das bordeigene Computersystem 10, welches ein Einzelcomputer oder ein Anzahl von miteinander verlinkten Computern sein kann, wird als CPU bezeichnet. Die Vielzahl von Motoren M1, M2, ... Mn ist über ein LIN-Bussystem mit der CPU verbunden. Dies erfordert die völlige Unabhängigkeit eines jeden Motors, der seinen eigenen LIN-Bustreiber, seine eigene MCU, seinen eigenen Feedback-Sensor, Netzschalter und seinen eigenen Identifier hat. Dies ist für elektronische Hardware, die nur gelegentlich zum Einsatz kommt, teuer.
Die US 5 136 222 A offenbart ein Steuersystem für eine automatisierte Vorrichtung, das eine Hauptsteuerung mit vier Servomodulen zum Steuern von Servomotoren und ein Mastermodul zum Verwalten und Anweisen der Servomodule aufweist.
Die US 2005 / 0 273 287 A1 offenbart ein Verfahren zum Bereitstellen eines Pulses an eine Bewegungsvorrichtung, die durch eine Impulsfolge variabler Frequenz gesteuert werden kann und Steuerung, einen Antrieb und einen Motor umfasst.
Die US 7 183 736 B1 betrifft ein AC-Servosystem mit einer verteilten Bewegungssteuerung.
Die US 2004 / 0 041 533 A1 offenbart eine Steuervorrichtung mit einem numerischen Steuerteil zum Ausgeben eines Bewegungsbefehls, einem Motorsteuerteil zum Ausgeben eines Bewegungsbefehls zum Erzeugen eines PWM-Signals für eine Mehrzahl von Motoren und eine Mehrzahl von Motorenverstärker zum Steuern der entsprechenden Motoren auf der Grundlage des PWM-Signals.
Die US 6 188 190 B1 offenbart eine Multiachsenmotor-Steuerung zur Antriebssteuerung einer Mehrzahl von Servomotoren für die Multiachsensteuerung von industriellen Robotern.
Übersicht der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Reduzierung der Gesamtkosten der Elektronik für ein gegebenes System.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das gegebene System nutzt eine Anzahl von elektronisch gesteuerten Motoren, wobei sich einige Motoren die elektronischen Bauteile (Schaltungen) untereinander teilen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Zuverlässigkeit des gesamten Systems durch die Reduzierung der Anzahl möglicher Störungen erhöht wird. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend ein MCU-Modul mit einer MCU und einen Hauptbustreiber, wobei der Hauptbustreiber ausgebildet ist, die MCU zu aktivieren, sodass diese über einen Hauptbus Signale sendet und empfängt, eine Mehrzahl von Motormodulen, deren jedes einen elektronisch gesteuerten Motor und einen Identifier hat, wobei die Motormodule elektrisch mit dem MCU-Modul verbunden sind und wobei das MCU-Modul ausgebildet ist, Steuersignale von einer CPU zu empfangen und wiederum ein ausgewähltes Modul der Motormodule anzuweisen zu arbeiten, und wobei die MCU ausgebildet ist, auf der Grundlage von Informationen, die von dem Identifier bereitgestellt werden, zu bestimmen, welcher Motor zu wählen ist.
Vorzugsweise ist das MCU-Modul durch einen Nebenbus mit den Motormodulen verbunden.
Vorzugsweise ist der Nebenbus ausgebildet, Hochspannungs-Wechselstromsignale für den Antrieb des gewählten Motors zu übertragen.
Vorzugsweise umfasst das MCU-Modul ferner nur einen Leistungsschaltkreis, der ausgebildet ist, Leistungssignale für den Betrieb der Motoren zu liefern.
Die MCU bestimmt auf der Basis der von dem Identifier bereitgestellten Information, welcher Motor in Reaktion auf einen Befehl von der CPU zu wählen ist.
Vorzugsweise umfasst jedes Motormodul ferner einen Feedback-Sensor für die Erteilung von Information über einen Zustand des entsprechenden elektronisch gesteuerten Motors an die MCU.
Vorzugsweise sind die elektronisch gesteuerten Motoren piezoelektrische Motoren.
Alternativ ist das MCU-Modul durch Niederspannungssignalleitungen mit den Motormodulen verbunden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln von mehreren elektronisch gesteuerten Motoren vorgeschlagen, umfassend die folgenden Schritte: Anschließen einer MCU an einen Bus von einer CPU; Verbinden der MCU mit der Vielzahl von Motoren; Verwenden der MCU, um auf der Grundlage von Signalen, die die MCU von der CPU empfängt, auszuwählen, welcher Motor zu betätigen ist und in welcher Richtung.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte des Vorsehens eines jeden der Motoren als Teil eines Motormoduls und das Anschließen jedes Motors über einen sich in dem Motormodul befindenden Identifier an die MCU.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte des Vorsehens eines Leistungsschaltkreises in jedem Modul, um den jeweiligen Motor anzutreiben.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte des Vorsehens eines Leistungsschaltkreises in dem MCU-Modul und das Teilen der Leistung aus dem Leistungsschaltkreis mit den Motormodulen.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln von mehreren elektronisch gesteuerten Motoren vorgeschlagen, umfassend die Schritte des Verwendens einer einzigen MCU, um die mehreren Motoren und eine CPU über eine Schnittstelle zu verbinden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt des Vorsehens eines einzigen Leistungsschaltkreises, um jeden der Motoren selektiv zu betätigen, und des Verwendens der MCU, um auf der Grundlage von Befehlen von der CPU zu wählen, welcher Motor zu betätigen ist.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte des Vorsehens von Feedback-Sensoren, die jedem Motor zugeordnet sind, und des Übertragens von Signalen von dem Feedback-Sensor zur MCU, um zu bestimmen, wann der gewählte Motor abzuwählen ist.
Figurenliste
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend lediglich anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigt:

1 ein Blockdiagramm eines Motorsteuerschemas gemäß einem konventionellen Verfahren;
2 ein Blockdiagramm eines Motorsteuerschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 ein Blockdiagramm eines Motorsteuerschemas gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsform
2 zeigt ein Blockdiagramm der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Diagramm zeigt die CPU 10, die an einen Bus angeschlossen ist, der als Hauptbus 12 bezeichnet wird. Der Hauptbus 12 kann ein LIN-Bus (Local Interconnection Network Bus), ein CAN-Bus (Controller Area Network Bus) oder ein Bus eines anderen Protokolls sein. Der Hauptbus verbindet die CPU mit verschiedenen nicht dargestellten Komponenten, die allgemein bekannt und nicht Teil dieser Erfindung sind. An die CPU 10 ist über den Hauptbus 12 ein MCU-Modul 20 angeschlossen. Das MCU-Modul 20 ist über einen separaten Bus mit einer Vielzahl von Motormodulen 30 verbunden, die mit M1, M2, ... Mn bezeichnet sind. Der Bus 22 ist ein Niederspannungssignalbus, der nur Niederspannungssignale zum Steuern der Motormodule 30 überträgt.
Das Modul 20 hat eine MCU 21 und einen Hauptbustreiber 23. Der Hauptbustreiber 23 aktiviert die MCU 21, so dass diese über den Hauptbus 12 Signale sendet und empfängt. Die Motormodule 30 umfassen einen elektronisch gesteuerten Motor 31, einen Leistungsschalter 24, einen Identifier 32 für die Kommunikation mit der MCU und optional einen Feedback-Sensor oder Feedback-Schaltkreis 33, wie zum Beispiel ein Positionssensor. Der Bus 22 könnte ein dedizierter hartverdrahteter Bus sind, wenn die Anzahl der Motormodule 30 gering ist. Ansonsten wird ein dedizierter Computerbus bevorzugt.
Auf diese Weise wird bei dieser einfachen Ausführungsform eine einzige MCU von sämtlichen Motormodulen des Systems oder der Vorrichtung geteilt, wodurch die Gesamtkosten des Systems erheblich reduziert werden. Obwohl ein Bustreiber für den Austausch von Signalen mit der MCU erforderlich ist, wird nur ein einziger Hauptbustreiber benötigt.
In der Ausführungsform von 3 hat das MCU-Modul 20 auch den Leistungsschaltkreis 24. Daher haben die Motormodule 30 nur den Motor 31, den Identifier 32 und den optionalen Feedback-Sensor 33. In dieser Ausführungsform führt der lokale Bus 22 sowohl die Niederspannungs-Steuersignale als auch die Leistungssignalleitungen. Bei einem Schrittmotor, einem bürstenlosen Gleichstrommotor und einem piezoelektrischen Motor etc. würden diese Leistungsleitungen Hochspannungsimpulse übertragen, die für den Betrieb des Motors erforderlich sind.
In dieser zweiten Ausführungsform teilen sich die Motormodule 30 eine gemeinsame MCU 21, Leistungsschalter 24 (die Leistungstreiberschaltung) und den Hauptbustreiber 23, wodurch die System- oder Vorrichtungskosten insgesamt noch weiter reduziert werden.
Diese Ausführungsformen finden speziell bei elektronisch gesteuerten Motoren Anwendung, die piezoelektrische Motoren sind. Bei diesem Szenario hat das MCU-Modul die piezoelektrische Treiberschaltung, und jedes Motormodul schaltet den Motor einfach auf die Treibersignale, die von dem MCU-Modul ausgesandt werden, wenn dieser Motor als der zu aktivierende Motor ausgewählt wurde. Die Wahl erfolgt mittels des Identifiers. Die Treibersignale sind Hochspannungs-Wechselstromsignale, doch der Strompegel ist verglichen mit anderen Gleichstrommotortypen relativ niedrig. Diese Anordnung kann jedoch auch für andere Typen von elektronisch gesteuerten Motoren verwendet werden, speziell wenn die Motoren physisch in der Nähe angeordnet sind, so dass der Bus 22 kurz ist.
Es ist ersichtlich, dass die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung für geringere Kosten für die elektronischen Bauteile sorgen, indem sich die Motoren eine Anzahl dieser Bauteile teilen.
Die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Begriffe „umfassen“, „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ und deren Variationen sind einschließende Begriffe, die angeben, dass das genannte Teil vorhanden ist, die jedoch nicht ausschließen, dass weitere Teile vorhanden sind.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen der Erfindung möglich sind, deren Schutzumfang durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
Während die Erfindung mit Bezug auf eine Klimaanlage eines Personenfahrzeugs beschrieben wurde, könnte die Erfindung auch bei einer Reihe von anderen Motorsystemen in einem Fahrzeug Anwendung finden, zum Beispiel bei der Steuerung von Sitzen oder Spiegeln und bei Memory-Systemen. Die Erfindung könnte auch bei Multimotorsystemen in Anwendungen außerhalb des Fahrzeugbereichs eingesetzt werden.
Begriffserklärung von einigen in dieser Beschreibung verwendeten Abkürzungen:

CPU - Central Processing Unit (Zentraleinheit)
MCU - Micro Controller Unit (Mikrosteuereinheit)
LIN-Bus - Local Interconnection Network (lokales Verbindungsnetzwerk)
CAN-Bus - Controller Area Network (Controllerbereichsnetzwerk)

Der Begriff CPU oder Zentraleinheit kann verwendet werden, um einen Verarbeitungschip in einem Computer zu bezeichnen, oder auch um die Einheit zu bezeichnen, die die Daten- oder Signalverarbeitung durchführt und einen Computer, eine Reihe von Computern und einen zentralen Datenprozessor aufweisen kann. Das Computersystem des modernen Fahrzeugs kann über eine Anzahl von Computern verfügen, die in einem verzweigten Computernetzwerk zusammenarbeiten, oder alle diese Computer können kollektiv als CPU bezeichnet werden.
Ein LIN-Bus und ein CAN-Bus sind zwei hinreichend bekannte Beispiele eines von Hauptbus-Protokollen, die bei Fahrzeugcomputersystemen Anwendung finden.

Claims

Vorrichtung, umfassend: ein MCU-Modul (20), das eine MCU (21) und einen Hauptbustreiber (23) aufweist, wobei der Hauptbustreiber (23) ausgebildet ist, die MCU (21) zu aktivieren, sodass diese über einen Hauptbus (12) Signale sendet und empfängt; und eine Mehrzahl von Motormodulen (30), deren jedes einen elektronisch gesteuerten Motor (31) und einen Identifier (32) aufweist; wobei die Motormodule (30) mit dem MCU-Modul (20) elektrisch verbunden sind, wobei das MCU-Modul (20) ausgebildet ist, Steuersignale von einer CPU (10) zu empfangen und wiederum ein gewähltes Modul der Motormodule (30) anzuweisen zu arbeiten, und wobei die MCU (21) ausgebildet ist, auf der Grundlage von Informationen, die von dem Identifier (32) bereitgestellt werden, zu bestimmen, welcher Motor (31) zu wählen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das MCU-Modul (20) durch einen Nebenbus (22) mit den Motormodulen (30) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Nebenbus (22) ausgebildet ist, Hochspannungs-Wechselsignale für den Antrieb des gewählten Motors (31) zu übertragen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das MCU-Modul (20) ferner nur einen Leistungsschaltkreis (24) umfasst, der ausgebildet ist, Leistungssignale für den Betrieb der Motoren (31) zu liefern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Motormodul (30) ferner einen Feedback-Sensor (33) aufweist, für die Übermittlung von Informationen über einen Zustand des entsprechenden elektronisch gesteuerten Motors (31) an die MCU (21).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronisch gesteuerten Motoren (31) piezoelektrische Motoren sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das MCU-Modul (20) durch Niederspannungssignalleitungen mit den Motormodulen (30) verbunden ist.