DE19928135A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Elektromotors - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Elektromotors (100) beschrieben, die sich insbesondere auszeichnet durch ein Hochpaßfilter (C4, R6), dem eine durch den Motor (100) in einer Ansteuerpause (T¶off¶) gegeninduzierte Spannung zugeführt wird, zum Durchlaß von hochfrequenten Anteilen, die durch Umkommutierungen von Motorwicklungen erzeugt werden, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Erfassung von Signalflanken der hochfrequenten Anteile und zur Signalisierung eines fehlerhaften Betriebszustandes, wenn die Anzahl der Signalflanken innerhalb eines vorbestimmbaren Zeitintervalls einen vorbestimmbaren Schwellwert nicht übersteigt. Die Schaltungsanordnung ist insbesondere zur Ansteuerung und Betriebsüberwachung von Hydraulikpumpen in elektronischen Stabilitätssystemen von Fahrzeugen anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur An­ steuerung eines Elektromotors, insbesondere als Bestandteil der Hydraulikpumpe eines Kraftfahrzeugregelungssystems, wie ABS, ASR, ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm) etc.

Elektromotoren werden insbesondere als Kleinmotoren zum Be­ trieb verschiedenster elektromechanischer Einrichtungen wie zum Beispiel Pumpen, Steuerungen, Antrieben usw. verwendet. Bei zahlreichen Anwendungen dieser Art ist es wichtig, im Falle einer Störung des Motorbetriebes bestimmte Maßnahmen oder Vorkehrungen zu treffen, um die Anwendung als solche beherrschbar zu halten. Zu diesem Zweck ist es von besonde­ rer Bedeutung, den Betriebszustand des Motors in der Weise zu überwachen, daß ein Auftreten von Fehlern an dem Motor oder der durch diesen angetriebenen Einrichtung rechtzeitig erkannt werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Elektromotors zu schaffen, mit der in einfacher Weise fehlerhafte Betriebs­ zustände des Motors erfaßt werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 bei einer sol­ chen Schaltungsanordnung, die sich auszeichnet durch ein Hochpaßfilter, dem eine durch den Motor in einer Ansteuer­ pause gegeninduzierte Spannung zugeführt wird, zum Durchlaß von hochfrequenten Anteilen, die durch Umkommutierungen von Motorwicklungen erzeugt werden, sowie eine Auswerteeinrich­ tung zur Erfassung von Signalflanken der hochfrequenten An­ teile und zur Signalisierung eines fehlerhaften Betriebszu­ standes, wenn die Anzahl der Signalflanken innerhalb eines vorbestimmbaren Zeitintervalls einen vorbestimmbaren Schwellwert nicht übersteigt.

Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß sie weitgehend unabhängig von der Art und Größe des Elektromo­ tors sowie der Anwendung des Motors einsetzbar ist, sofern der Motor in der Ansteuerpause eine mit hochfrequenten An­ teilen überlagerte gegeninduzierte Spannung erzeugt.

Ein weiterer Vorteil dieser Lösung liegt darin, daß durch die Auswertung der Anzahl der Signalflanken auch Fehler in der angetriebenen Einrichtung erkannt werden können, wenn diese zum Beispiel blockiert wird oder nur noch gegen einen großen Widerstand antreibbar ist.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Danach ist die Schaltungsanordnung vorzugsweise so ausge­ legt, daß der Motor durch Pulsbreitenmodulation einer Ver­ sorgungsspannung getaktet ansteuerbar ist und die Ansteu­ erpause eine Ausschaltphase (Pulspause) ist.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Schaltungsanord­ nung findet sich in einem elektronischen Kraftfahrzeugrege­ lungssystem, wie ABS, ASR, ESP etc. mit einer Hydraulikpum­ pen-Steuereinheit zur Ansteuerung und Betriebsüberwachung von Hydraulikpumpen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzug­ ten Ausführungsform anhand der Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung;

Fig. 2a, 2b graphische Darstellungen verschiedene Signalver­ läufe an einem Motor bei einer gepulsten Ansteuerung des Motors im fehlerfreien Betriebszustand;

Fig. 3a, 3b eine Darstellung der Signalverläufe gemäß Fig. 2 bei einem fehlerhaften Betriebszustand;

Fig. 4a, 4b eine graphische Darstellung verschiedener, mit der Schaltungsanordnung erzeugter, auszuwertender Signale; und

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Verfahrensablaufs zur Auswer­ tung der mit der Schaltungsanordnung erzeugten Signale.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Teils einer Schaltungsanordung, die zur Ansteuerung von Pumpenmotoren, und zwar insbesondere für hydraulische Kreise von Fahrzeug- Stabilitätsprogrammen (ESP), wie Antiblockier- und An­ tlschlupfregelungen, dienen kann. Ein Schaltungsblock 10 stellt eine (Pumpen-)Motor-Steuereinheit PCU dar, die im allgemeinen in Form von einer oder mehreren integrierten Standard-Schaltungen realisiert ist und einen Mikroprozes­ sor, Analog/Digitalwandler, Zwischenspeicher, Treiberstufen usw. umfaßt. Die äußere Beschaltung wird entsprechend der Anwendung und einem anzusteuernden Motor 100 gewählt.

Ein erster Anschluß U_IGN für eine erste Versorgungsspannung von z. B. 12 V (im Falle einer Anwendung in einem Fahrzeug ist diese Spannung über ein Zündschloß geführt) ist über eine Diode D1 und einen ersten Widerstand R1 mit einem er­ sten Anschluß I des Pumpenmotors 100 verbunden. Zwischen der Diode D1 und dem ersten Widerstand R1 ist ein erster Kondensator C1 nach Masse geschaltet. Ein aus einem zweiten Widerstand R2 und einem dazu parallel nach Masse geschalte­ ten zweiten Kondensator C2 gebildeter RC-Tiefpaß ist mit einem ersten Eingang AN (Eingang eines Ana­ log/Digitalwandler-Schaltungsteils) der Pumpenmotor- Steuereinheit PCU sowie über einen dritten Widerstand R3 mit dem ersten Anschluß I des Pumpenmotors 100 verbunden. Parallel zu dem Pumpenmotor 100, dessen zweiter Anschluß II an Masse liegt, ist ein dritter Kondensator C3 geschaltet.

Ein zweiter Anschluß KL30-P für eine zweite Versorgungs­ spannung (z. B. 12 V) ist über eine Sicherung S1 mit einem Drainanschluß D eines ersten Leistungstransistors FET1 so­ wie einem zweiten Anschluß DRN (Drain) der Pumpenmotor- Steuereinheit PCU verbunden. Ein Gateanschluß G des Lei­ stungstransistors FET1 liegt über einem vierten Widerstand R4 an einem dritten Anschluß OUT der Pumpenmotor- Steuereinheit PCU an, während ein Sourceanschluß S des er­ sten Leistungstransistors FET1 mit dem ersten Anschluß I des Pumpenmotors 100 sowie über einen fünften Widerstand R5 mit einem vierten Anschluß SRC (Source) der Pumpenmotor- Steuereinheit PCU verbunden ist.

Weiterhin ist der erste Anschluß I des Pumpenmotors 100 an eine Auswerteeinrichtung geführt, die einen in Reihe an die Basis eines zweiten Transistors T2 geschalteten vierten Kondensator C4 aufweist, wobei die Basis über einen sech­ sten Widerstand R6 mit Masse verbunden ist. Der Emitter des zweiten Transistors T2 liegt ebenfalls an Masse, während der Kollektor über einen siebten Widerstand R7 mit einem dritten Anschluß U_I für eine zweite Versorgungsspannung (z. B. 5 V) sowie mit einem interruptfähigen Eingang eines Mikroprozessors MP verbunden ist.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 dient zur Regelung der mittleren Drehzahl des Pumpenmotors 100 auf einen Soll­ wert durch Pulsbreitenmodulation der an dem zweiten An­ schluß KL30-P anliegenden Versorgungsspannung für den Pum­ penmotor 100. Zu diesem Zweck erzeugt der in der PCU ent­ haltene Mikroprozessor ein digitales Ansteuersignal (EIN/AUS) für die Pumpe, das zunächst zwischengespeichert wird, und mit dem eine Ladungspumpe zum Schalten des ersten Leistungstransistor FET1 über den dritten Anschluß OUT ak­ tiviert wird.

Die bezüglich ihrer Pulsbreite modulierte Versorgungsspan­ nung weist dabei im allgemeinen eine konstante Zykluszeit T_PWM auf, die sich aus der Betriebszeit Ton und der Aus­ schaltzeit Totf des Pumpenmotors zusammensetzt.

Zur Erfassung der Istdrehzahl des Pumpenmotors 100 wird die während der Ausschaltzeit T_off durch den Motor 100 indu­ zierte Gegenspannung (Gegen-EMK) ausgewertet. Diese Span­ nung nimmt zwar im wesentlichen linear ab, ist jedoch auf­ grund der ständigen Umkommutierung der Wicklungen des Mo­ torankers mit einer hochfrequenten Schwingung überlagert. Mit dem aus dem zweiten Widerstand R2 und dem zweiten Kon­ densator C2 gebildeten Tiefpaß wird diese Spannung deshalb zunächst gefiltert und dann über den ersten Eingang AN der Pumpenmotor-Steuereinheit PCU zugeführt und dort gemessen. Der Betrag der gefilterten Spannung ist dabei zum Zeitpunkt der halben Umschaltzeit T_off direkt proportional zu der mittleren Drehgeschwindigkeit des Motors 100 und kann somit zur Regelung der Solldrehzahl des Pumpenmotors 100 verwen­ det werden.

Um eine Unterbrechung in einer der Zuleitungen zu dem Pum­ penmotor 100 erkennen zu können, ohne diesen aktiv anzu­ steuern, ist der erste Widerstand R1 (Pull-Up-Widerstand) vorgesehen, der im Fehlerfall den Spannungspegel an dem er­ sten Eingang AN (Analog/Digitalwandlerteil) der Pumpen- Steuereinheit 10 auf hohen Pegel (etwa U_IGN) zieht.

Zur Erfassung eines Betriebszustandes des Pumpenmotors 100 wird die während der Ausschaltzeit T_off durch den Motor in­ duzierte Gegenspannung ferner dem aus dem vierten Kondensa­ tor C4 und dem sechsten Widerstand R6 gebildeten Hochpaß zugeführt. Mit dem in der Sättigung betriebenen zweiten Transistor T2 wird dann aus dem gefilterten hochfrequenten Signal ein Rechtecksignal erzeugt, das zur weiteren Auswer­ tung einem interruptfähigen Eingang des Mikroprozessors MP zugeführt wird. Unter "interruptfähiger Eingang" ist in diesem Zusammenhang ein Eingang zu verstehen, über den mit einer HF-Signalflanke bestimmte Unterprogramme ausgeführt werden können. Die Auswertung wird im Detail anhand von Fig. 5 beschrieben werden.

Fig. 2b zeigt den Verlauf der gegeninduzierten und tief­ paßgefilterten Motorspannung bei einer gepulsten Ansteue­ rung des Motors im fehlerfreien Betriebszustand. Die Span­ nungswerte werden an den in Fig. 2a mit "M" bezeichneten Meßzeitpunten während einer Ansteuerpause (Pulspause), d. h. zwischen einem Ausschalten (Zeitpunkt "A") und einem Wie­ dereinschalten (Zeitpunkt "B") der Pumpe gemessen, und zwar beginnend mit einem Referenzwert "R" nach Ablauf einer Ein­ schwingzeit.

Die Fig. 3a, 3b zeigen diese Spannungsverhältnisse im Fehlerfall in zeitlich gestauchter Darstellung, wobei die Meßzeitpunkte M gleichen zeitlichen Abstand haben wie in Fig. 2a (z. B. 4 ms). Wenn die übliche Ansteuerpause in Fig. 2b z. B. etwa 30 bis 60 ms dauert, wird davon ausgegan­ gen, daß ein Fehler vorliegt, wenn die tiefpaßgefilterte Motorspannung nach etwa 200 ms (Intervall "U") keinen oder nur einen äußerst geringen negativen Gradienten aufweist. Ein solcher Fehler kann einer Unterbrechung in einer der Zuleitungen des Pumpenmotors 100 oder eine mechanische Blockade des Motorlaufes sein. Die Messungen wurden an ei­ nem 12-Pol-Motor mit etwa 2.000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute durchgeführt.

Zur Unterscheidung zwischen einem fehlerfreien und einem fehlerhaften Betriebszustand sind diese Spannungen bei den üblichen Tastverhältnisen jedoch nicht geeignet. Im Fehler­ fall, wird - wie oben erwähnt - die Spannung an dem ersten Eingang AN der Pumpenmotor-Steuereinheit PCU über den er­ sten Widerstand R1 hochgezogen und über die erste Span­ nungsquelle U_IGN im wesentlichen konstant gehalten. Diese Spannung ist jedoch insbesondere nach der Filterung durch den Tiefpaß R2/C2 (siehe Fig. 3b) nur sehr schwer von der in Fig. 2b gezeigten Spannung bei fehlerfreiem Betriebszu­ stand zu unterscheiden, da beide nahezu gleiche Höhe auf­ weisen. Eine Bewertung der Tiefpaß-gefilterten Spannung im Hinblick auf ihren Gradienten (die Spannung fällt im we­ sentlichen linear entsprechend der Verminderung der Dreh­ zahl ab) würde eine relativ lange Zeitdauer erfordern, die bei einer gepulsten Ansteuerung der Pumpe im Bereich von etwa 50 bis 60 ms liegt und somit die Zykluszeit der Puls­ breitenmodulation erreicht.

Zur Erkennung eines fehlerhaften Betriebszustandes wird vielmehr die während der Ausschaltzeit T_off (Intervall zwi­ schen "A" und "E") gegeninduzierte Spannung über den Hoch­ paß C4/R6 geführt, von dem im wesentlichen nur die durch die ständige Umkommutierung erzeugten Oberwellen der gegen­ induzierten Spannung mit einer Frequenz von etwa 2 bis 5 kHz durchgelassen werden. An der Basis des zweiten Transi­ stors T2 liegt somit die in Fig. 4a gezeigte HF-Spannung an, die mit dem Transistor T2 in die in Fig. 4b gezeigte Rechteckspannung umgewandelt wird. In dem Fall, in dem die Pumpe kontinuierlich angesteuert wird, ist es im allgemei­ nen möglich, die gegeninduzierte Spannung während einer kurzzeitigen, zyklischen Unterbrechung der Ansteuerung aus­ zuwerten.

Fig. 4 hat im wesentlichen den gleichen zeitlichen Maßstab entlang der horizontalen Achse wie Fig. 2. Aus einem Ver­ gleich der beiden Figuren ergibt sich, daß der Betriebszu­ stand anhand der Flankenwechsel "F" der HF-Signalspannung innerhalb der Ausschaltzeit zu erkennen ist, da im Fehler­ fall diese Flanken entweder gar nicht oder nur in vermin­ derter Anzahl vorhanden sind.

Zur Auswertung der Signalflanken werden diese an einen in­ terruptfähigen Eingang des Mikroprozessors MP angelegt und gemäß dem in Fig. 5 dargestellten Flußdiagramm ausgewer­ tet. Diese Auswertung kann als entsprechendes Programm im­ plementiert sein.

Nach dem Start mit einem Schritt S1 wird in Schritt S2 zu­ nächst abgefragt, ob der Pumpenmotor 100 aktiviert ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird das Programm beendet (Schritt S3). Andernfalls wird mit einem Schritt S4 abge­ fragt, ob eine zyklische Überwachung des Pumpenmotors akti­ viert ist. Wenn diese Abfrage mit "Nein" beantwortet wird, wird gemäß Schritt S10 der vorher aktive Pumpenmotor- Betriebsmodus fortgesetzt, und der Ablauf kehrt zu Schritt S2 zurück.

Bei Aktivierung der zyklischen Überwachung des Pumpenmotors wird mit Schritt S5 ein externer Interrupt für die Rotati­ onserkennung freigeschaltet. Anschließend wird mit Schritt S6 ein Überwachungszeitraum für die Rotationserkennung und die Auswertung der gegeninduzierten, hochpaßgefilterten HF- Rechteckspannung gestartet. Dieser Überwachungszeitraum ist bei gepulster Ansteuerung des Motors die Ausschaltzeit Tott, bei kontinuierlicher Ansteuerung wird diese kurzzei­ tig unterbrochen.

Mit Schritt S7 wird dann abgefragt, ob die Anzahl der in einem vorbestimmten Zeitintervall erfaßten HF-Signalflanken größer ist als ein vorbestimmter Schwellwert. Wenn dies der Fall ist, wird mit Schritt S8 der Überwachungszeitraum be­ endet und mit Schritt S9 der externe Interrupt für die Ro­ tationserkennung wieder gesperrt. Anschließend wird mit Schritt S10 der vorher aktive Pumpenmotor-Betriebsmodus wieder fortgesetzt, und der Ablauf kehrt zu Schritt S2 zu­ rück.

Wenn gemäß Schritt S9 die Anzahl der HF-Signalflanken in­ nerhalb des vorbestimmten Zeitintervalls nicht größer ist, als der Schwellwert, wird gemäß Schritt S11 zunächst abge­ fragt, ob der Überwachungszeitraum für die Rotationserken­ nung abgelaufen ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird er­ neut die Abfrage gemäß Schritt S7 vorgenommen. Wenn der Überwachungszeitraum abgelaufen ist, wird gemäß Schritt S12 der externe Interrupt für die Rotationserkennung gesperrt und mit Schritt S13 eine Signalisierung erzeugt, daß ein Fehler erkannt wurde. Mit Schritt S14 wird schließlich eine Qualifizierung des Fehlers in Abhängigkeit von der ermit­ telten Flankenanzahl vorgenommen und - je nach Anwendungs­ fall - eine entsprechende Maßnahme getroffen. Der Ablauf wird schließlich mit Schritt S3 beendet.

Der Schwellwert wird in Abhängigkeit von der Solldrehzahl des Motors sowie den Betriebsbedingungen und dem Anwen­ dungsfall geeignet gewählt.

Da die Anzahl der HF-Signalflanken im fehlerfreien Betrieb von der momentanen Motordrehzahl abhängig ist, wäre es auch möglich, diese Drehzahl quantitativ durch entsprechende Auswertung der Anzahl der HF-Signalflanken zu ermitteln und zum Beispiel zur Anzeige zu bringen.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Elektromo­ tors, gekennzeichnet durch ein Hochpaßfilter (C4, R6), dem eine durch den Motor (100) in einer Ansteuerpause (T_off) gegeninduzierte Spannung zugeführt wird, zum Durchlaß von hochfrequenten Anteilen, die durch Um­ kommutierungen von Motorwicklungen erzeugt werden, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Erfassung von Si­ gnalflanken der hochfrequenten Anteile und zur Signa­ lisierung eines fehlerhaften Betriebszustandes, wenn die Anzahl der Signalflanken innerhalb eines vorbe­ stimmbaren Zeitintervalls einen vorbestimmbaren Schwellwert nicht übersteigt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung eine Schaltstufe (T2) zur Umwandlung der hochfrequen­ ten Anteile in eine Rechteckspannung aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung einen Mikroprozessor (MP) aufweist, dem die Recht­ eckspannung zur Erfassung der Signalflanken und zur Signalisierung eines fehlerhaften Betriebszustandes zuführbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Fehlerzustand eine Verminderung einer Motordrehzahl erfaßbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (100) durch Pulsbreitenmodulation einer Versorgungsspannung ge­ taktet ansteuerbar ist und die Ansteuerpause eine Ausschaltphase (Pulspause) ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (100) kontinu­ ierlich betreibbar ist und die Zeitdauer und die Wie­ derholungsrate der Ansteuerpause mit einem Mikropro­ zessor steuerbar ist.

7. Anwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ansteuerung und Be­ triebsüberwachung von Hydraulikpumpen.

8. Anwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem elektronischen Kraftfahr­ zeugregelungssystem (ABS, ASR, ESP etc.) mit einer Hydraulikpumpen-Steuereinheit zur Ansteuerung und Be­ triebsüberwachung von Hydraulikpumpen.