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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern
eines Vierquadrantenmotors durch Wiederherstellen des Ist-Motorstroms
anhand von erfassten Bus-Strominformationen.
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Hintergrund der Erfindung
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Bürstenmotor-Steuerschaltungen
des Standes der Technik können
nach drei Grundkategorien unterteilt werden: Einquadrantenbetrieb,
Zweiquadrantenbetrieb und Vierquadrantenbetrieb.
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Der
Einquadrantenmotorbetrieb beschreibt grundsätzlich einen Motorbetrieb in
einer Richtung. Dieser Betrieb verwendet einen einzigen Leistungsbaustein
als Schalter, der in einer Ein/Aus-Betriebsart oder in einer pulsweitenmodulierten
(PWM-)Betriebsart betätigt
werden kann. Wenn dieser Schalter in einer PWM-Betriebsart verwendet
wird, wird eine Freilaufdiode verwendet, um den Motorstrom, wenn der
Leistungsbaustein in der Aus-Betriebart ist, zurückzuführen. Diese Betriebart stellt
gewöhnlich
keine Motorbremsfunktion bereit. Die Stromerfassung bei diesem Betrieb
erfolgt im Allgemeinen durch einen Sensor in dem Gleichstrombus,
der Leistungsbausteinstrom, jedoch keinen Ist-Motorstrom liefert.
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Der
Zweiquadrantenmotorbetrieb ist durch ein Antreiben (motoring) oder
ein Gegenstrombremsen (plugging) in Vorwärtsrichtung, Antreiben oder Gegenstrombremsen
in Rückwärtsrichtung
sowie ein Bremsen in beiden Richtungen gekennzeichnet. Dieser Betrieb
verwendet vier Leistungs schaltbausteine und vier zu diesen Schaltbausteinen
parallele Freilaufdioden, was gewöhnlich als "H"-Brückenkonfiguration
bezeichnet wird. Diese Betriebart bietet auch einen Betrieb des
Motors in zwei Richtungen, um einer Last oder einem Aktuator ein
Drehmoment bereitzustellen, und verschafft die Fähigkeit, den Motor "durch Gegenstrom
zu bremsen" (plug). "Gegenstrombremsen" bedeutet das schnelle
Umkehren der angelegten Motorspannung, während sich der Motor infolge
einer zuvor angelegten Motorspannung weiterhin in der entgegengesetzten
Richtung dreht. Dieser Vorgang führt
zum eventuellen Auftreten von ungesteuerten Motorströmen und
Leistungsbausteinströmen
gleich dem Zweifachen des Stillstandsstroms des Motors. Außerdem verschafft
diese Betriebart die Fähigkeit,
den Motor zu "bremsen". "Bremsen" bedeutet das gleichzeitige
Einschalten sowohl des oberen als auch des unteren Leistungsbausteins
in der "H"-Brücke, während sich
der Motor in der einen oder der anderen Richtung dreht. Dieser Vorgang
führt zum
eventuellen Auftreten von ungesteuerten Motorströmen und Leistungsbausteinströmen gleich
dem Stillstandsstrom des Motors. Im Allgemeinen erfolgt eine Stromerfassung
für diesen
Betrieb mittels eines Sensors in dem Gleichstrombus, der Leistungsbausteinstrom,
jedoch keinen Ist-Motorstrom liefert. Dieses Verfahren der Stromerfassung
liefert keine Informationen, die Ist-Motorstrominformationen angeben.
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Der
Vierquadrantenmotorbetrieb ist durch ein Antreiben in Vorwärtsrichtung,
ein Regenerieren in Vorwärtsrichtung,
ein Antreiben in Rückwärtsrichtung,
ein Regenerieren in Rückwärtsrichtung
und ein Bremsen ohne ungesteuerte Motorströme gekennzeichnet. Dieser Betrieb
verwendet vier Leistungsschaltbausteine und vier zu diesen Schaltbausteinen parallele
Freilaufdioden in der "H"-Brückenkonfiguration.
Diese Betriebart bietet einen Betrieb des Motors in zwei Richtungen,
um ein Drehmoment an eine Last oder einen Aktuator zu liefern und
ein Drehmoment von einer Last oder einem Aktuator aufzunehmen. Beim
Liefern eines Drehmoments an die Last arbeitet der Motor in beiden
Richtungen bei gesteuerten Motorströmen in einer Antriebs- bzw.
Motorbetriebsart. Beim Aufnehmen eines Drehmoments von der Last arbeitet
der Motor in beiden Richtungen bei gesteuerten Motorströmen in einer
Regenerierungs- bzw. Generatorbetriebsart. Der Vierquadrantenmotorbetrieb verschafft
im Allgemeinen keine Fähigkeit
zum "Gegenstrombremsen", um die ungesteuerten
Motorströme
zu vermeiden. Schließlich
verschafft diese Betriebart die Fähigkeit, den Motor zu "bremsen", jedoch überwacht
sie den Motorstrom, um ungesteuerte Bremsströme zu vermeiden. Eine Stromerfassung bei
diesem Betrieb ist zuvor durch einen mit den Motorzuleitungen in
Reihe geschalteten Sensor ausgeführt
worden, um den Ist-Motorstrom zu liefern. Zum Bereitstellen eines
Vierquadrantenbetriebs ist der Ist-Motorstrom erforderlich, damit
Stromrichtungsinformationen aufbewahrt werden.
EP 0315597 und
EP 0291813 offenbaren Schaltungen
zum Erfassen der Größe und der
Richtung eines durch eine Last fließenden Stroms.
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Der
Zweiquadrantenmotorbetrieb, wie er oben beschrieben worden ist,
hat den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Stromerfassung, jedoch
hat er in einzelnen Betriebarten den Nachteil ungesteuerter Motorströme und Leistungsbausteinströme. Die
ungesteuerten Ströme
können
zu einer katastrophalen Beschädigung
der steuernden Leistungsbausteine führen. Die typische Lösung zum Schützen der
Leistungsbausteine besteht darin, die Leistungsbausteine übergroß auszulegen,
um die ungesteuerten Ströme
zu meistern. Jedoch kann ein ungesteuerter Überstromzustand auch zu einer
Entmagnetisierung der Motormagnete führen. Der Vierquadrantenmotorbetrieb,
wie er oben beschrieben worden ist, hat den Vorteil, dass es keine
Betriebarten gibt, in denen die Motorströme ungesteuert sind, jedoch
hat er den Nachteil, dass die Motorstromerfassung teurer und mühsamer ist.
Der Vorteil gesteuerter Ströme
ist, dass das Motordreh moment stets auf einem bekannten Pegel ist
und die Leistungsbausteine in ihrem sicheren Betriebsbereich (safe
operating area, SOA) bleiben.
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Daher
wäre es
wünschenswert
und vorteilhaft, einen Vierquadrantenmotorbetrieb zu schaffen, der
die Verwendung eines Stromsensors in Reihe mit den Motorzuleitungen
erübrigt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum
Betreiben eines Vierquadrantenmotors (a) das Überwachen eines Motorspannungsgrößen-Anforderungssignals,
das sich zwischen Null und einem Maximalwert ändert, und (b) das Überwachen
eines Motorrichtungs-Anforderungseingangs.
In einem Schritt (c) wird anhand des Anforderungssignals und des
Eingangs, die in den Schritten (a) und (b) überwacht werden, ein Spannungsanforderungs-Referenzsignal
gebildet. In einem Schritt (d) wird ein Stromgrößen-Anforderungssignal überwacht,
während
in einem Schritt (e) anhand des im Schritt (d) überwachten Signals ein erstes
Stromanforderungs-Referenzsignal und ein zweites Stromanforderungs-Referenzsignal
gebildet werden. In einem Schritt (f) wird eine Spannung über einem
Stromerfassungswiderstand eines Busses, der angeschlossen ist, um
den Motor mit Leistung zu versorgen, überwacht, während in einem Schritt (g)
anhand des im Schritt (f) überwachten
Signals ein Erfassungswiderstand-Referenzsignal gebildet wird. In einem
Schritt (h) wird das erste Stromanforderungs-Referenzsignal mit
einem Rückkopplungsstromsignal
verglichen, während
in einem Schritt (i) auch das zweite Stromanforderungs-Referenzsignal mit
dem Rückkopplungsstromsignal
verglichen wird. In einem Schritt (j) wird das Erfassungswiderstand-Referenzsignal einem
steuerbaren Verstärker bereitgestellt,
während
in einem Schritt (k) anhand des Spannungsanforderungs-Referenzsignals, des im
Schritt (h) ausgeführten
Vergleichs und des im Schritt (i) ausgeführten Vergleichs eine positive/negative
Verstärkung
des steuerbaren Verstärkers
gesteuert wird. In einem Schritt (l) wird ein von dem steuerbaren
Verstärker
ausgegebenes Signal abgetastet, um das Stromrückkopplungssignal zu erzeugen,
das einen Ist-Strom für
den Vierquadrantenmotor repräsentiert.
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Diese
Erfindung ermöglicht,
den Motor stets in einer Weise mit gesteuertem Drehmoment zu betreiben,
und ein korrektes Auslegen der Leistungsbausteine. Da anstelle eines
Motorstromsensors ein einziger Busstromsensor verwendet wird, ist
bei nahezu den Kosten eines Zweiquadrantenbetriebs ein verbesserter
Betrieb geschaffen. Der Ist-Motorstrom wird anhand von Busstrominformationen
wiederhergestellt. Der Ist-Motorstrom ist für den Vierquadrantenmotor erforderlich,
damit die Motorstromrichtung aufbewahrt wird. Das Wiederherstellen
dieser Informationen mittels eines Busstromsensors liefert die erforderlichen
Informationen bei Kosten, die zu den angewandeten Verfahren, die
die Motorstromrichtungsinformationen nicht einbehalten, ähnlich sind. Die
Beseitigung von ungesteuerten Strömen beseitigt auch Perioden
ungesteuerten Drehmoments in dem Motorbetrieb. Dies ist wichtiger,
so wie Systeme mehr zu einer "Servoqualität" hin orientiert werden. Außerdem ermöglicht die
Beseitigung von ungesteuerten Strömen das korrekte Auslegen von
Leistungsbausteinen, was ebenfalls zu zusätzlichen Kosteneinsparungen
führen
kann. Bei Systemen mit Spannungen, die höher als gegenwärtige Kraftfahrzeugspannungen
sind, kann dies der Unterschied zwischen einem funktionierenden
System und der Unfähigkeit,
eine geforderte Funktion zu erfüllen,
sein.
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Zusammenfassung der Zeichnungen
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1 zeigt
einer Motorsteuerschaltung zugeordnete Signale gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung;
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2 zeigt
einer Motorsteuerschaltung zugeordnete Signale gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung;
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3 zeigt
ein Schema einer Motorsteuerungs-Eingangsschaltung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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4 zeigt eine Leistungsversorgungsschaltung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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5 zeigt
eine Überspannungs-Clamping- bzw.
-Klemmenschaltung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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6 zeigt
eine Leistungsbausteinschnittstellen-Schaltungsanordnung und eine
Motorstromwiederherstellungs-Schaltungsanordnung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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7 zeigt
der eine Stromsteuerungs-Schaltungsanordnung und eine PWM-Signalerzeugungs-Schaltungsanordnung
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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8 zeigt
Signale, die der in den 3, 5, 6 und 7 gezeigten
Schaltungsanordnung zugeordnet sind; und
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9 zeigt
zusätzliche
Signale, die der in den 3, 5, 6 und 7 gezeigten
Schaltungsanordnung zugeordnet sind.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Der
Vierquadrantenmotorbetrieb kann definiert werden als vier verschiedene
Betriebszustände, die
durch die Motordrehrichtung und die Motorstromrichtungen (Drehmomentrichtungen)
definiert sind. Die vier Betriebzustände werden einfach definiert
als Antreiben in Vorwärtsrichtung
bei einem Drehmoment in Vorwärtsrichtung,
Antreiben in Rückwärtsrichtung
bei einem Drehmoment in Rückwärtsrichtung,
Regenerierung in Vorwärtsdrehrichtung
bei einem Drehmoment in Rückwärtsrichtung
und Regenerierung in Rückwärtsdrehrichtung
bei einem Drehmoment in Vorwärtsrichtung.
Beide der Antriebsbetriebszustände
entnehmen Leistung von der Elektroenergieversorgung und bringen
mechanische Energie auf eine Last auf. Beide Regenerierungsbetriebszustände entnehmen
mechanische Energie von einer Last und führen die Leistung zur Elektroenergieversorgung
zurück.
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Um
die Implementierung dieser Erfindung zu erleichtern, werden einige
Betriebsparameter definiert. Der Benutzer gibt Motorbetriebsanforderungen (1 und 2)
wie etwa eine Motorspannungsgröße, eine
Motorstromgröße, eine
Motorrichtung und eine Motorfreigabe ein. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist die Benutzer-Motorspannungsanforderung ein Signal von 0 bis
5 Volt, das einen Arbeitszyklus 0 bis 100 % repräsentiert, während der Motorstrom-Anforderungseingang
ein Signal von 0 bis 2,5 Volt ist, das einen Strom von 0 bis Maximalstrom
repräsentiert.
Die Motorrichtungs- und Motorfreigabesignale sind Digitalsignale
mit Werten von entweder 0 Volt oder der Maximalspannung (eines wird
bei +5 Volt zugeführt
und eines wird bei der Vcc-Spannung zugeführt). Eine Aufbereitungsschaltungsanordnung setzt
diese Eingänge
in einen Satz von Signalen um, der die Implementierung einfacher
macht. Alle Motorspannungs- und Mo torstromanforderungen werden so
umgesetzt, dass ein Null-Befehl durch eine Referenz von 2,5 Volt
repräsentiert
ist. Die Motorspannungsgröße und die
Motorrichtung werden so umgesetzt, dass mehr als 2,5 Volt eine positive
Motorspannungsanforderung repräsentieren
(wobei 5 Volt die maximale positive Anforderung sind) und weniger
als 2,5 Volt eine negative Motorspannungsanforderung repräsentieren
(wobei 0 Volt die maximale negative Anforderung sind). 1 zeigt
einen Graphen der Benutzer-Motorspannungsanforderung,
der Richtungsanforderung (F/R*) und des internen Motorspannungs-Referenzsignals
(BRVREF), wenn sie in einer Rampe von Null auf Maximum positiv,
zurück durch
Null auf Maximum negativ und zurück
zu Null geführt
werden.
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Die
Motorstromgröße wird
so umgesetzt, dass sich zwei Signale ergeben: IREF+ und IREF–. Null
wird dadurch wiedergegeben, dass beide Signale auf 2,5 Volt sind.
Wenn die Benutzer-Stromgröße zunimmt,
weichen diese Signale von 2,5 Volt ab, derart, dass sich IREF+ 3,75
Volt nähert
und sich IREF– 1,25
Volt nähert. 2 zeigt
einen Graphen der Benutzer-Motorstromanforderung, von IREF+ und
von IREF–,
wenn sie in einer Rampe von Null zum Maximum geführt werden. Die Motorstromrichtung
wird gehandhabt, indem die zwei Signale erzeugt werden, und wird
angefordert, weil der Motorstrom positiv sein kann, während die
Motordrehrichtung vorwärts
oder rückwärts sein
kann.
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In 3 sind
die Motorsteuerelemente ein Schalter S1, ein Schalter S2, ein Potentiometer
R59 und ein Potentiometer R65. Der Schalter S1 ist der Freigabeschalter.
Wenn der Schalter S1 geöffnet
ist (Aus-Stellung oder Sperrstellung), halten Q6 und Q8 die Motorspannungs-
und Motorstromanforderungen auf Null (2,5 Volt). Wenn der Schalter
S1 geschlossen ist (Ein-Stellung oder Freigabestellung), wird zugelassen,
dass der Motor strom und die Motorströme ungleich null sind, und
ist der Ausgangstreiber freigegeben.
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Der
Schalter S2 ist der Richtungsschalter. Wenn der Schalter S2 geschlossen
ist, ist der Motor in der Rückwärtsrichtung,
während
der Motor dann, wenn der Schalter geöffnet ist, in der Vorwärtsrichtung
ist. Die Funktionalität
des Schalters S2 ist insofern wichtig für die Erfindung, als er einer
zusätzlichen
Schaltungsanordnung ermöglicht,
Motorspannungsanforderungsreferenzen festzulegen. Dieses Konzept
wird erläutert,
nachdem die zwei Potentiometer beschrieben worden sind.
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Das
Potentiometer R59 bildet den Motorspannungs-Anforderungseingang.
Dieses Motorspannungs-Anforderungssignal liegt im Bereich von 0
Volt bis 5 Volt. Dieses Signal äußert sich
eigentlich in einem PWM-Arbeitszyklus, wobei 0 Volt einen Arbeitszyklus
von 0 % repräsentieren
und 5 Volt einen Arbeitszyklus von 100 % repräsentieren. Das Potentiometer
R59 wird in Verbindung mit dem Richtungsschalter S2 dazu verwendet,
zu bestimmen, ob eine positive oder eine negative Spannung zu dem
Motor geschickt wird. In 1 und 3 bilden
Widerstände
R56 und R60 einen Spannungsteiler derart, dass die Spannung an einem
Knoten 1 im Bereich von 2,5 V bis 5 V liegt, wenn die Potentiometerspannung
im Bereich von 0 V bis 5 V liegt. Ein Verstärker U3C bildet zusammen mit
Widerständen
R58, R61 und R62 und einem Transistor Q7 einen "+1/–1"-Verstärker. Wenn sich der F/R*-Schalter
S2 in der Vorwärtsstellung
befindet (geöffnet
ist), schaltet Q10 durch, während
Q7 sperrt. Unter dieser Bedingung arbeitet der Verstärker U3C
mit einer Verstärkung
von +1 (Unity-Gain Follower) und folgt der Ausgang des Verstärkers U3C
der Spannung am Knoten 1, um die erste Hälfte des in 1 gezeigten
Ausgangsgraphen (BRVREF) zu erzeugen. Wenn sich der F/R*-Schalter
S2 in der Rückwärtsstellung
befindet (geschlossen ist), sperrt Q10, während Q7 durchschaltet, um den
(+)-Eingang von U3C mit 2,5 Volt kurzzuschließen. Unter dieser Bedingung
arbeitet der Verstärker U3C
mit einer Verstärkung
von –1
und invertiert der Ausgang des Verstärkers U3C die Spannung am Knoten
1, um die zweite Hälfte
des in 1 gezeigten Ausgangsgraphen (BRVREF) zu erzeugen.
Der Ausgang des Verstärkers
U3C wird zum Motorspannungsanforderungs-(Arbeitszyklusanforderungs)-Referenzsignal,
das intern zu dieser Schaltung verwendet wird.
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Das
Potentiometer R65 bildet den Motorstrom-Anforderungseingang. Dieses
Anforderungssignal liegt im Bereich von 0 Volt bis 2,5 Volt und
repräsentiert
eine Stromgrenzwertanforderung von 0 Ampere bis 25 Ampere. Der obere
Grenzwert von 25 Ampere kann auf der Grundlage der Motorgrößen- und
Anwendungsanforderung auf eine maximale Zahl skaliert bzw. herabgesetzt
werden. In 2 und 3 bilden
Widerstände
R63 und R66 einen Spannungsteiler derart, dass die Spannung am Knoten
2 im Bereich von 2,5 Volt bis 3,75 Volt liegt, wenn die Potentiometerspannung
im Bereich von 0 Volt bis 2,5 Volt liegt. Ein Verstärker U3B
arbeitet zusammen mit Widerständen
R64, R67 und R68 als Folger bzw. Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor
Eins (Unity-Gain Follower), da kein Transistor vorhanden ist, der
eine Funktion erfüllt,
die zu jener von Q7 ähnlich
ist. Der Ausgang des Verstärkers
U3B wird zum positiven Motorstromanforderungs-Referenzsignal (IREF+), das
intern zu dieser Schaltung verwendet wird. Intern zu dem Funktionsblock
BRCTL1 multipliziert ein invertierender Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor Eins
(Anschlüsse
15, 16, und 17 von U7 in 7) das Signal (IREF+) mit einer
Verstärkung
von –1,
um ein negatives Motorstromanforderungs-Referenzsignal (IREF–) zu erzeugen,
das intern zu dieser Schaltung verwendet wird. Diese Stromanforderungs-Referenzsignale
bilden zusammen ein Stromgrenzwert-Referenzpaar, das den Motorstrom unabhängig davon,
in welchem der 4 Quadranten der Motor arbeitet, auf diesen geforderten
Grenzwert be grenzt. Insbesondere ist das Signal (IREF+) der positive
Stromgrenzwert, der im Bereich von 2,5 Volt bis 3,75 Volt liegt,
wobei 3,75 Volt dem maximalen positiven Stromgrenzwert entsprechen,
und das Signal (IREF–)
der negative Stromgrenzwert, der im Bereich von 2,5 Volt bis 1,25
Volt liegt, wobei 1,25 Volt dem maximalen negativen Stromgrenzwert
entsprechen.
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Die 4A und 4B zeigen
den Leistungsversorgungsschaltungsentwurf. U1 liefert die geregelte
Spannung VCC für
die Schaltung. Diese Spannung ist eine gefilterte Batteriespannung,
die auf 15 Volt geklemmt und geregelt wird, wenn die Batteriespannung
auf über
15 Volt ansteigt. U2 ist ein 5-Volt-Regler, der die 5-Volt-Referenz
für die
Steuerschaltungsanordnung liefert. Die Widerstände R4 und R5 sind ein Spannungsteiler,
der durch den Verstärker
U3A, der als Puffer mit dem Verstärkungsfaktor Eins (Unity-Gain
Buffer) arbeitet, gepuffert wird. Dies verschafft die +2,5-Volt-Referenz für die Steuerschaltungsanordnung,
die den Spannungspegel der Anforderung nach einem Arbeitszyklus
von 0 % und der Anforderung nach einer Stromgröße von 0 definiert.
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5 zeigt
den Entwurf einer Überspannungsklemmenschaltung
für die
SWBAT-Spannung, die die Hauptleistungsversorgung für die Motortreiber-"H"-Brücke ist.
Diese Schaltungsanordnung ist erforderlich, weil diese Erfindung
die Fähigkeit
verschafft, Energie zu der Leistungsversorgung wiederzugewinnen
bzw. zurückzukoppeln.
Da die meisten Standard-Leistungsversorgungen keine wesentliche Fähigkeit
besitzen, wiedergewonnene Energie aufzunehmen, erfordert dieser
Entwurf zusätzliche
Hardware zum Aufnehmen von Energie, um die Bausteine vor Überspannungssituationen
zu schützen.
Beim Standard-Kraftfahrzeug nimmt die Fahrzeugbatterie wiedergewonnene
Energie auf, weshalb dieser Teil des Schaltungsentwurfs nicht erforderlich
ist.
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Die 6 und 7 zeigen
eine Ausführungsform
der Motorsteuerlogik- und -leistungsbausteine, die einen neuen Erfindungsgedanken
dieser Erfindung darstellen. Es sind drei Hauptabschnitte, nämlich die
Leistungsbausteine mit Schnittstelle 100, die Motorstromwiederherstellungs-Schaltungsanordnung 200 und
die Stromsteuerung und PWM-Erzeugung 300 gezeigt.
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Die
Leistungsbausteine mit Schnittstelle 100 umfassen Transistoren
Q1, Q2, Q3 und Q4, die die Leistungstransistoren repräsentieren,
die in einer herkömmlichen "H"-Brückenkonfiguration
angeordnet sind. Jeder dieser Transistoren besitzt einen zugeordneten
Gate-Widerstand und einen zugeordneten Gate-Kondensator, was ebenso
typisch für
den Stand der Technik ist. Die Kondensatoren C20, C21 und C22 dienen
als Bus-Filterkondensatoren. Der Widerstand R17 ist der Stromerfassungswiderstand für die Stromsteuerung.
Die integrierte Schaltung U4 ist der Gate-Ansteuerungs-Schnittstellenbaustein und
kann ein HIP4086A sein. Er wandelt die Logikpegel-Eingangssignale
auf der linken Seite des integrierten Bausteins zu Gate-Ansteuerungsausgängen mit
höherer
Spannung um. Die Dioden D3 und D4 und die Kondensatoren C10 und
C13 werden in einer Bootstrap-Konfiguration dazu verwendet, die
Versorgungsspannung für
die Ansteuerung des oberen Gates bereitzustellen. Die Widerstände R6,
R7, R8, R9, R14, R15, R16 und der Kondensator C18 werden dazu verwendet,
U4 korrekt vorzuspannen und eine bestimmte operationelle Zeitcharakteristik
zu schaffen. Das Verbinden des Anschlusses 2 mit dem Anschluss 3
und des Anschlusses 4 mit dem Anschluss 5 zwingt beide Hälften der "H"-Brücke
dazu, als komplementäre
Paare zu arbeiten. Wenn nämlich
Q1 durchschaltet, sperrt Q3, und wenn Q3 durchschaltet, sperrt Q1. Ähnlich sperrt
Q4, wenn Q2 durchschaltet, und sperrt Q2, wenn Q4 durchschaltet.
Obwohl dies keine Forderung für
diese Erfindung ist, vereinfacht diese komplementäre Arbeitsweise
die Logik, die zum Bereitstel len des Vierquadrantenmotorbetriebs
notwendig ist. Die gesamte folgende Erläuterung nimmt an, dass die
komplementäre
Arbeitsweise die bevorzugte Ausführungsform
dieser Erfindung ist.
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Mit
Bezug auf die 6, 7 und 8 wird
nun die Motorstromwiederherstellungs-Schaltungsanordnung beschrieben.
Die Graphen in 8 sind repräsentative Zeichnungen anstelle
von wirklichen Daten, damit die Graphen klarer erscheinen und die
PWM-Informationen veranschaulicht werden können. Der erste Graph in 8 zeigt
den Zustand des F/R*-(Vorwärts/Rückwärts)-Schaltsignals,
wobei die Vorwärtsrichtungsanforderung
durch eine hohe Spannung dargestellt ist und die Rückwärtsrichtungsanforderung
durch eine niedrige Spannung dargestellt ist. Der zweite Graph in 8 gibt
die Motorgeschwindigkeit wieder, wie sie von einem Tachometer wiedergegeben
würde,
wobei eine Spannung über
Null eine positive Geschwindigkeit repräsentiert und eine Spannung
unter Null eine negative Geschwindigkeit repräsentiert. Diese ersten zwei
Graphen zeigen einen Motor, der mit einer festen positiven Geschwindigkeit
läuft,
auf Null-Geschwindigkeit abfällt, auf
eine feste negative Geschwindigkeit beschleunigt, in der Geschwindigkeit
auf Null abfällt
und schließlich
in positiver Richtung beschleunigt. Die lineare Beschleunigung und
die lineare Verzögerung geben
einen konstanten Stromgrenzwert während des Beschleunigens und
des Verzögerns
an, was den Nutzen eines 4-Quadrantenbetriebs deutlich macht.
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Der
dritte Graph von 8 gibt das Spannungssignal über R17
wieder, der der Stromerfassungswiderstand in dem Gleichstrombus
ist. Es sei angemerkt, dass die Spannung über R17 unmittelbar, nachdem
sich das F/R*-Signal ändert,
negativ ist. Jedoch repräsentiert
die erste negative Spannung eine Verzögerung von einer positiven
Geschwindigkeit aus, während
die zweite negative Spannung eine Verzögerung von einer negati ven
Geschwindigkeit aus repräsentiert.
Diese negativen Spannungen über
dem Busstromerfassungswiderstand enthalten keine Informationen über die
Motordrehrichtung oder die Motorstromrichtung, sondern geben den
Motorbetrieb in einem regenerativen Quadranten an. Der vierte Graph,
der den Knoten 3 von 6 wiedergibt, ist eine verstärkte und
versetzte Darstellung der Spannung über R17. Die Verstärkung bietet
eine verbesserte Auflösung
infolge der Verwendung eines Differenzverstärkers U8B. Der Versatz zu Null-Strom,
der durch ein 2,5-Volt-Signal repräsentiert wird, ermöglicht,
dass das Signal in dem aktiven Bereich für Verstärker liegt, während Motorstromsignale
wiederhergestellt werden, die einen regenerativen Motorstrom repräsentieren.
Ein negatives Signal über
R17 wird durch eine Spannung unter 2,5 Volt am Knoten-3-Signal repräsentiert.
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Die
nächsten
zwei Graphen von 8 sind der Schlüssel zur
Motorstromwiederherstellung mittels eines Busstromsensors. Der Graph
am Knoten 6 wird in dem Motorsteuerabschnitt 300 erzeugt
und weiter unten näher
erläutert.
Dieses Knoten-6-Signal gibt an, wann das Stromsignal am Knoten 3
mit einer Verstärkung
von Eins multipliziert werden muss und wann es mit einer Verstärkung von
minus Eins multipliziert werden muss. Wenn das Signal am Knoten
6 auf Hochpegel ist, muss das Signal am Knoten 3 mit einer negativen
Eins multipliziert werden. Dies tritt ein, wenn der Motorstrom negativ
ist und ein negatives Drehmoment erzeugt oder wenn der Motorstrom, bedingt
durch Regeneration, auf positiv getrieben wird, während die
Motorgeschwindigkeit noch negativ ist. Die erste Situation tritt
ein, wenn die Motorgeschwindigkeit in Richtung Null abfällt und
in der negativen Richtung zunimmt. Das Signal am Knoten 6 geht auf
Hochpegel, was bewirkt, dass das Signal am Knoten 3 durch einen
Verstärker
U8A mit einer Verstärkung
von minus Eins multipliziert wird, so dass das Signal am Knoten
4 an diesem Punkt invertiert wird. Die zweite Situation tritt ein,
wenn die Motorgeschwindigkeit von einer stetigen nega tiven Geschwindigkeit
aus abzunehmen beginnt, was eigentlich einen positiven wiedergewonnenen
Motorstrom verursacht, der ein positives Drehmoment zum Verlangsamen
des Motors liefert. Der wiedergewonnene Strom tritt negativ über R17
und am Knoten 3 auf, weil er ein regenerativer Strom ist, jedoch
gibt das Knoten-6-Signal eine Verstärkung von minus Eins an, wobei
das Signal am Knoten 4 angibt, dass die in Wahrheit ein positiver
Motorstrom ist. Das Signal am Knoten 4 ist im Wesentlichen der durch
die PWM der Steuerschaltung modulierte wiederhergestellte Motorstrom.
Die Transistoren Q15 und Q16 und der Kondensator C24 dienen als
Abtast-Halte-Schaltung, um das vollständige Ist-Motorstromsignal
wiederherzustellen. Die zeitliche Steuerung der Abtast-Halte-Schaltung
wird durch einen Komparator U6B gesteuert, wobei der Ausgang in
dem Knoten 5 von 8 gezeigt ist. Es ist festgestellt
worden, dass sich dieser Graph mit einer mit den wirklichen Motordrähten in
Reihe geschalteten Stromsonde vergleichen lässt.
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Die
Motorsteuerung- und PWM-Erzeugungs-Schaltungsanordnung 300 ist
in 7 gezeigt. Es wird Bezug auf die 6, 7 und 9 genommen,
um die folgende Beschreibung zu unterstützen. Die Graphen in 9 sind
repräsentative Zeichnungen
anstelle von wirklichen Daten, damit die Graphen klarer erscheinen
und die PWM-Informationen veranschaulicht werden können. Der
Graph 1 in 9 zeigt den Zustand des F/R*
(vorwärts/rückwärts), während der
Graph 2 ähnlich
wie 8 die Motorgeschwindigkeit wiedergibt. Diese ersten
zwei Graphen zeigen einen Motor, der mit einer festen positiven
Geschwindigkeit läuft,
auf Null-Geschwindigkeit abfällt,
auf eine feste negative Geschwindigkeit beschleunigt, in der Geschwindigkeit
auf Null abfällt und
schließlich
in positiver Richtung beschleunigt.
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Der
Graph 8 in 9 zeigt einen Knoten 7, einen
Knoten 8 und einen Knoten 12 der Schaltung 300. Der Knoten
12 steuert eigentlich die PWM-Erzeugung
durch den integrierten Baustein U7 und wird durch drei Faktoren
gesteuert: die Spannungsanforderung von VREF, eine Anforderung nach
dem positiven Stromgrenzwert und eine Anforderung nach dem negativen
Stromgrenzwert (die eigentliche PWM-Erzeugung wird in den folgenden
Graphen erläutert).
Der Knoten 7 ist die Steuerung des positiven Stromgrenzwerts, die
sich aus einem Überstromzustand
ergibt, wenn der Motor ein positives Drehmoment liefert, während er
sich mit positiver Geschwindigkeit (Vorwärtsgeschwindigkeit) dreht (Antreiben
in Vorwärtsrichtung),
oder wenn der Motor ein positives Drehmoment liefert, während er
sich mit negativer Geschwindigkeit (Rückwärtsgeschwindigkeit) dreht (Regenerieren
in Rückwärtsrichtung).
Der Knoten 7 hebt die Spannungsanforderung von VREF auf, indem er über die
Diode D8 den Knoten 12 herunterzieht. Der Signalpegel am Knoten
7 wird durch Vergleich des Signals (IREF+) mit einem Stromrückkopplungssignal
(IFBK) durch einen Komparator U8D eingerichtet. Der Knoten 8 ist
die Steuerung des negativen Stromgrenzwerts, die sich aus einem Überstromzustand
ergibt, wenn der Motor ein negatives Drehmoment liefert, während er
sich mit negativer Geschwindigkeit (Rückwärtsgeschwindigkeit) dreht (Antreiben
in Rückwärtsrichtung),
oder wenn der Motor ein negatives Drehmoment liefert, während er
sich mit positiver Geschwindigkeit (Vorwärtsgeschwindigkeit) dreht (Regenerieren
in Vorwärtsrichtung).
Der Knoten 8 hebt die Spannungsanforderung von VREF auf, indem er über die
Diode D9 den Knoten 12 hochzieht. Der Signalpegel am Knoten 8 wird durch
Vergleich des Signals (IREF–)
mit dem Stromrückkopplungssignal
(IFBK) durch einen Komparator U8C eingerichtet. Am Beginn des Graphen
8 von 9 wird der Knoten 12 durch die VREF-Anforderung
gesteuert, wobei der Knoten 7 und der Knoten 8 in Aus-Zuständen oder
Zuständen,
in denen sie nicht steuern, gezeigt sind. Nach dem Umschalten der F/R*-Anforderung
zur Rückwärtsrichtung
(Graph 1) beginnt der Knoten 8 den Knoten 12 zu steuern, wenn die
Motorgeschwindigkeit infolge des Regenerierens in Vorwärtsrichtung
abzunehmen beginnt, während
der Knoten 7 in einem Aus-Zustand
bleibt. Die Regeneration setzt sich fort, bis die Motorgeschwindigkeit
fast Null erreicht (Graph 2). Von dem Punkt, an dem die Motorgeschwindigkeit
fast Null erreicht, bis zu dem Punkt, an dem die Motorgeschwindigkeit
die stabile negative Geschwindigkeit erreicht, fährt der Knoten 8 fort, den
Knoten 12 zu steuern, wobei der Motor infolge des Antreibens in
Rückwärtsrichtung
an negativer Geschwindigkeit zuzunehmen beginnt, während der
Knoten 7 in einem Aus-Zustand bleibt. Wenn der Motor die stetige
negative Geschwindigkeit erreicht, steuert der Knoten 12 wieder die
PWM-Erzeugung infolge der VREF-Anforderung, während der Knoten 7 und der
Knoten 8 beide im Aus-Zustand sind. Nach dem Umschalten der F/R*-Anforderung
zur Vorwärtsrichtung
beginnt der Knoten 7, den Knoten 12 zu steuern, wenn die Motorgeschwindigkeit
infolge des Regenerierens in Rückwärtsrichtung
abzunehmen beginnt, während
der Knoten 8 in einem Aus-Zustand bleibt. Wiederum setzt sich das
Regenerieren fort, bis die Motorgeschwindigkeit fast Null erreicht.
Von dem Punkt, an dem die Motorgeschwindigkeit fast Null erreicht,
bis zum Ende des Graphen, fährt
der Knoten 7 fort, den Knoten 12 zu steuern, wobei der Motor infolge
des Antreiben in Vorwärtsrichtung
an positiver Geschwindigkeit zuzunehmen beginnt, während der
Knoten 8 in einem Aus-Zustand
bleibt.
-
Der
Graph 9 von 9 zeigt einen Knoten 12, einen
Knoten 9 und einen Knoten 6 und veranschaulicht die Erzeugung des
Knoten-6-Signals, das ermittelt, ob der Verstärker U8A eine Verstärkung von +1
oder von –1
hat (bereits bei der Erläuterung
der Stromwiederherstellung beschrieben worden). Der Knoten 6 ist
insofern wichtig, als dieses Signal ermittelt, ob der Verstärker U8A
eine Verstärkung
von +1 oder eine Verstärkung
von –1 hat.
Dieses Knoten-6-Signal und der verstärkte Strom durch den Erfassungswiderstand
R17 (Knoten-3-Signal) bestimmen den Quadranten, in dem der Motor
arbeitet. Der Knoten 9 ist das PWM-Oszillationssignal. Der durch Widerstände R34,
R39 und R44 aufgebaute Spannungsteiler legt den oberen und den unteren
Grenzwert des Sägezahn-Knoten-9-Oszillationssignals fest.
Der Vergleich der Signale am Knoten 10 und Knoten 11 mit dem Oszillationssignal
am Knoten 9 erzeugt das eigentliche PWM-Signal für beide Seiten der H-Brücken-Leistungstransistoren.
Insbesondere dann, wenn das Knoten-10-Signal das Knoten-9-Signal übersteigt,
wird ein PWM-Vorwärtsansteuerungssignal
an die (OUT+)-Seite der H-Brücke
angelegt, während
dann, wenn das Knoten-11-Signal kleiner als das Knoten-9-Signal
ist, ein PWM-Rückwärtsansteuerungssignal
an die (OUT–)-Seite der H-Brücke angelegt
wird. Jedes der Knoten-10- und Knoten-11-Ansteuerungs-Referenzsignale wird unter Verwendung
eines Widerstandspaars R32 und R37 bzw. eines Widerstandspaars R45
und R54 von dem Signal am Knoten 12 weg vorgespannt, wobei ein solches
Vorspannen eingesetzt wird, um die Erzeugung von PWM-Vorwärts- und
-Rückwärtsansteuerungssignalen
um Null zu erzwingen.
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Der
Vergleich des Knotens 12 mit dem Oszillator erzeugt das Signal am
Knoten 6 unter Verwendung eines Komparators U6A. Während des
ersten Teils des Graphen 9 von 9, während das
F/R*-Signal (Graph 1) auf Hochpegel ist, ist der Motor in der Antriebsbetriebsart
in Vorwärtsrichtung,
sind die Knoten 7 und 8 inaktiv (keine Stromgrenzwertsteuerung) und
liegt der Knoten 12 auf über
2,5 Volt – die
der Null-Spannung- und Null-Strom-Definition entsprechen. Wenn der
Knoten 12 mit dem Knoten 9 verglichen wird, ist der Knoten 6 auf
Tiefpegel, was angibt, dass der Motor bei einem Stromfluss in positiver Richtung
in Vorwärtsrichtung
läuft.
Unmittelbar nachdem das F/R*-Signal am Knoten 12 auf Tiefpegel geht,
geht das VREF-Signal am Knoten 12 auf Tiefpegel, um eine angeforderte Richtungsänderung
der Motorspannung anzugeben, was bewirkt, dass das Signal am Knoten
12 ebenfalls auf Tiefpegel geht. Wenn das Signal am Knoten 12 unter
dem Signal am Knoten 9 liegt, geht das Signal am Knoten 6 auf Hochpegel
und hat der Verstärker
U8A in der Schaltung 200 eine Verstärkung von –1. Die Schaltung gibt fälschlicherweise
an, dass der Motor bei einem Stromfluss in negativer Richtung in
Rückwärtsrichtung
läuft (falsch,
weil der Motor infolge der Trägheit nicht
sofort umkehren kann). Der Vergleich der Knoten 10 und 11 mit dem
Knoten 9 innerhalb des integrierten Bausteins U7 bewirkt, dass die
PWM der Leistungstransistoren die Spannung für die Motoranschlüsse umkehrt,
was bewirkt, dass der Motor einen Zustand des Gegenstrombremsens
in Rückwärtsrichtung
einnimmt und sich der Motorstrom in der negativen Richtung aufbaut
(obwohl die wirkliche Motordrehung vorwärts ist). Da der Motor in einem
Zustand des Gegenstrombremsens ist, ist der Strom durch den Erfassungswiderstand
R17 positiv, so dass die Spannung am oberen Ende des Widerstands
R17 positiv bezüglich
Masse ist. Der Strom versucht, sich auf einen sehr großen Wert
aufzubauen, derart, dass er das (IREF–)-Signal am Verstärker U8C übersteigt.
(Der Verstärker
U8B verstärkt
den Lesestrom auf über
2,5 Volt. Der Verstärker
U8A besitzt eine Verstärkung
von –1.
Daher ist IFBK am Verstärker
U8C unter 2,5 Volt.) Die Motorsteuerung geht daher in die Stromgrenzwert-Betriebsart,
wobei der Ausgang am Knoten 8 auf Hochpegel (aktiv) geht, was den
Knoten 12 zurück
auf Hochpegel zieht, was bewirkt, dass der Knoten 6 auf Tiefpegel
geht. Da der Knoten 6 auf Tiefpegel ist (was eine eigentliche Vorwärtsrichtung
angibt), wenn VREF auf Tiefpegel ist (was eine angeforderte Rückwärtsrichtung
angibt), gibt die Schaltung nun korrekt an, dass der Motorstrom
in der negativen Richtung ist, während
die wirkliche Motordrehung in der Vorwärtsrichtung ist. Dieser Vorgang
bewirkt außerdem,
dass der Motor in den Vorwärtsrichtungs-Regenerationsquadranten eintritt
und die H-Brücke
wieder eine positive Spannung an die Motoranschlüsse anlegt. All dies ge schieht
während
des schmalen Kammzugs an dem Graphen 9 zwischen dem ersten und dem
zweiten PWM-Oszillatorzyklus.
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Der
Motor bleibt in dem Vorwärts-Regenerationsquadranten,
bis die Spannung am Knoten 12 2,5 Volt erreicht. An diesem Punkt
kann sich der Motor langsam in Vorwärtsrichtung drehen, jedoch
kann die durch die Gegen-EMK des Motors bedingte Treibfunktion den
gewünschten
Stromgrenzwert nicht aufrechterhalten. An diesem Punkt tritt der
Motor in den Rückwärtsdrehrichtungs-Antriebsquadranten
ein und beginnt, auf eine stetige Drehzahl in Rückwärtsrichtung zu beschleunigen,
wobei die H-Brücke beginnt, eine
negative Spannung an die Motoranschlüsse anzulegen. Der Prozess
der Verzögerung,
Umkehr und Beschleunigung tritt bei konstantem Strom und daher bei
konstantem Drehmoment und konstanter Verzögerungs-/Beschleunigungsrate
ein. Wenn die Spannung am Knoten 12 genau rechts von der Mitte des Graphen
9 abfällt,
wird die Stromgrenzwert-Schaltungsanordnung inaktiv, erreicht der
Motor eine stetige Drehzahl, ist der Knoten 12 unter 2,5 Volt (was eine
Rückwärtsdrehung
anfordert), ist der Knoten 6 auf Hochpegel, was angibt, dass der
Motor bei negativem Stromfluss in Rückwärtsrichtung läuft, und
ist daher der Motor in der Antriebsbetriebsart in Rückwärtsrichtung
unter der Spannungssteuerung durch VREF. Unmittelbar nachdem das
F/R*-Signal (Graph 1) in dem späteren
Teil von 9 auf Hochpegel geht, geht das
VREF-Signal auf Hochpegel, was eine angeforderte Änderung
zu einer Vorwärts-Motorspannung (positiven
Motorspannung) angibt, was bewirkt, dass die Spannung am Knoten
12 ebenfalls auf Hochpegel geht. Wenn das Signal am Knoten 12 über dem
Signal am Knoten 9 liegt, geht das Signal am Knoten 6 auf Tiefpegel
und hat der Verstärker U8A
eine Verstärkung
von +1. Die Schaltung gibt fälschlicherweise
an, dass der Motor bei einem Stromfluss in positiver Richtung in
Vorwärtsrichtung läuft. Der
Vergleich der Knoten 10 und 11 mit dem Knoten 9 innerhalb des integrierten
Bau steins U7 bewirkt, dass die PWM der Leistungstransistoren eine positive
Spannung an die Motoranschlüsse
anlegt, was bewirkt, dass der Motor einen Zustand des Gegenstrombremsens
in Vorwärtsrichtung
einnimmt und sich der Motorstrom in der positiven Richtung aufbaut
(obwohl die wirkliche Motordrehung rückwärts ist). Da der Motor in einem
Zustand des Gegenstrombremsens ist, ist der Strom durch den Erfassungswiderstand
R17 positiv, so dass die Spannung am oberen Ende des Widerstands
positiv bezüglich Masse
ist. Der Strom versucht, sich auf einen sehr großen Wert aufzubauen, derart,
dass er das (IREF+)-Signal am Verstärker U8D übersteigt. (Der Verstärker U8B
verstärkt
den Lesestrom auf über
2,5 Volt. Der Verstärker
U8A besitzt eine Verstärkung
von +1. Daher ist IFBK am Verstärker
U8D unter 2,5 Volt.) Die Motorsteuerung geht in die Stromgrenzwert-Betriebsart,
wobei der Ausgang am Knoten 7 auf Tiefpegel (aktiv) geht, was den
Knoten 12 zurück
auf Tiefpegel zieht, was bewirkt, dass der Knoten 6 auf Hochpegel
geht. Da der Knoten 6 auf Hochpegel ist (was eine eigentliche Rückwärtsrichtung
angibt), wenn VREF auf Hochpegel ist (was eine angeforderte Vorwärtsrichtung
angibt), gibt die Schaltung nun korrekt an, dass der Motorstrom
in der positiven Richtung ist, während
die wirkliche Motordrehung in der Rückwärtsrichtung ist. Dieser Vorgang
bewirkt außerdem,
dass der Motor in den Rückwärtsrichtungs-Regenerationsquadranten
eintritt und die H-Brücke
wieder eine negative Spannung an die Motoranschlüsse anlegt. All dies geschieht
während
des schmalen Kammzugs an dem Graphen 9, der unmittelbar, nachdem
das F/R*-Signal auf Hochpegel rückkehrt,
auftritt. Der Motor bleibt in dem Rückwärts-Regenerationsquadranten,
bis die Spannung am Knoten 12 2,5 Volt erreicht. An diesem Punkt
kann sich der Motor langsam in Rückwärtsrichtung
drehen, jedoch kann die durch die Gegen-EMK des Motors bedingte
Treibfunktion den gewünschten
Stromgrenzwert nicht aufrechterhalten. An diesem Punkt tritt der Motor
in den Vorwärtsdrehrichtungs-Antriebsquadranten
ein und beginnt, auf eine stetige Drehzahl in Vorwärtsrichtung
zu beschleunigen, wobei die H-Brücke
beginnt, eine positive Spannung an die Motoranschlüsse anzulegen.
Dieser Prozess der Verzögerung,
Umkehr und Beschleunigung tritt bei konstantem Strom und daher bei
konstantem Drehmoment und konstanter Beschleunigungsrate ein.
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Die
Graphen 10–12
werden gemeinsam besprochen. Der Graph 10 zeigt einen Knoten 9,
einen Knoten 10 und einen Knoten 11. Der Knoten 9 und der Knoten
10 sind die Eingänge
an einen Komparator, der das Signal PWMREV* erzeugt. Der Knoten
9 und der Knoten 11 sind die Eingänge an einen Komparator, der
das Signal PWMFWD* erzeugt. Diese Signale sind so definiert, dass
dann, wenn PWMREV* auf Tiefpegel ist, der Leistungstransistorausgang OUT– auf Hochpegel
ist, und dann, wenn PWMFWD* auf Tiefpegel ist, der Leistungstransistorausgang OUT+
auf Hochpegel ist. Der Graph 11 von 9 zeigt
den Leistungstransistorausgang OUT+ und ist auf die Komparatoreingangssignale
im Graphen 5 ausgerichtet. Der Graph 12 von 9 zeigt
den Leistungstransistorausgang OUT– und ist auf die Komparatoreingangssignale
im Graphen 5 ausgerichtet. Diese drei Graphen folgen exakt der Erläuterung
von Graph 9. Eine einfachere Beschreibung des Umkehrprozesses wird
für diese
drei Graphen angegeben, jedoch wird versucht, dem Wortlauf der Beschreibung
von Graph 4 so zu folgen, dass die zwei Erläuterungen verglichen werden
können.
Während
des ersten Teils des Graphen 10, während das F/R*-Signal (Graph
1) auf Hochpegel ist, ist der Motor in der Antriebsbetriebsart in
Vorwärtsrichtung,
ist die Motorspannung positiv (OUT+ ist auf Hochpegel, und OUT– ist auf
Tiefpegel) und arbeitet die Motorsteuerung bei inaktiver Stromsteuerung
in der Spannungssteuerungsbetriebsart (auf der Grundlage von VREF).
Unmittelbar nachdem das F/R*-Signal auf Tiefpegel geht, kehrt die
Motorspannung um (OUT– ist
auf Hochpegel, und OUT+ ist auf Tiefpegel). An diesem Punkt wird
dem Wicklungswiderstand eine Treibfunktion gleich der Busspannung
zuzüglich
der Motor-Gegen-EMK aufgeprägt,
die einen Stromfluss in negativer Richtung bewirkt. Diese Situation
führt dazu,
dass der Strom versucht, auf einen sehr großen negativen Wert anzusteigen.
Wenn die Steuerschaltungsanordnung 300 einen großen negativen Strom
erfasst, wird die negative Motorspannung in Richtung Null verringert.
Wenn der Motor in einen Regenerationsquadranten eintritt, wobei
eine Null-Spannung an die Motoranschlüsse angelegt ist, wird dennoch
die Gegen-EMK auf den Wicklungswiderstand aufgebracht, so dass ein
negativer Strom erzeugt wird. Im Allgemeinen bewirkt die Gegen-EMK,
dass der Motorstrom den angeforderten Strom übersteigt. Daher legt die Motorsteuerung dann
eine positive Spannung an die Motoranschlüsse an, die hinreichend kleiner
als die Gegen-EMK-Spannung ist, um zu veranlassen, dass der angeforderte
negative Strom fließt.
All dies geschieht während
des schmalen Impulses an dem Graphen 12, der unmittelbar, nachdem
das F/R*-Signal auf Tiefpegel geht, auftritt.
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Auf
jenen schmalen Impuls folgend ist die Motorspannung positiv (OUT+
ist auf Hochpegel und in PWM, während
OUT– auf
Tiefpegel ist), jedoch auf einem Wert, der kleiner als zuvor in
der Rückwärtsrichtung
ist (bedingt durch PWM von OUT+). Der Motor bleibt in dem Vorwärts-Regenerationsquadranten, bis
das (OUT–)-Signal
im Graphen 12 die PWM-Operation beginnt. Während dieser Periode der Vorwärtsregeneration
wird der PWM-Arbeitszyklus des (OUT+)-Signals im Graphen 11 kleiner,
so dass die Motorspannung einen kleineren positiven Wert annimmt.
An dem Punkt, an dem das (OUT–)-Signal
die PWM-Operation beginnt, ist die an die Motoranschlüsse angelegte
Spannung nahezu null. An diesem Punkt tritt der Motor in den Rückwärtsdrehrichtungs-Antriebsquadranten
ein und beginnt, auf eine stetige Drehzahl in Rückwärtsrichtung zu beschleunigen.
An dem Punkt im Graphen 11 und im Graphen 12 von 9,
an dem das (OUT–)-Signal
auf Hochpegel ist und das (OUT+)-Signal auf Tiefpegel ist, hat der
Motor eine stetige Drehzahl erreicht und ist bei einem negativen
Stromfluss in der Antriebsbetriebsart in Rückwärtsrichtung unter Spannungsteuerung
auf der Grundlage des VREF-Signals. Unmittelbar nachdem das F/R*-Signal
(Graph 1) in dem späteren
Teil von Graph 1 auf Hochpegel geht, ändert sich die Motorspannung
zu einer positiven Spannung (OUT+ ist auf Hochpegel, und OUT– ist auf
Tiefpegel). An diesem Punkt wird dem Wicklungswiderstand eine Treibfunktion
gleich der Busspannung zuzüglich
der Motor-Gegen-EMK aufgeprägt,
die einen Stromfluss in positiver Richtung bewirkt. Diese Situation
führt dazu,
dass der Strom versucht, auf einen sehr großen negativen Wert anzusteigen.
Wenn die Steuerschaltungsanordnung 300 einen großen positiven
Strom erfasst, wird die positive Spannung in Richtung Null verringert.
Wenn der Motor in einen Regenerationsquadranten eintritt, wobei
eine Null-Spannung an die Motoranschlüsse angelegt ist, wird dennoch
die Gegen-EMK auf den Wicklungswiderstand aufgebracht, so dass ein
positiver Strom erzeugt wird. Im Allgemeinen bewirkt die Gegen-EMK,
dass der Motorstrom den angeforderten Strom übersteigt. Die Motorsteuerung
legt dann eine negative Spannung an die Motoranschlüsse an,
die hinreichend kleiner als die Gegen-EMK-Spannung ist, um zu veranlassen, dass
der angeforderte Strom fließt.
All dies geschieht während
des schmalen Impulses an dem Graphen 11, der unmittelbar, nachdem
das F/R*-Signal auf Hochpegel geht, auftritt. Auf jenen schmalen
Impuls folgend ist die Motorspannung negativ (OUT– ist auf Hochpegel
und in PWM, während
OUT+ auf Tiefpegel ist), jedoch auf einem Wert, der kleiner als
vor der Richtungsänderung
ist. Der Motor bleibt in dem Rückwärts-Regenerationsquadranten,
bis das (OUT+)-Signal
im Graphen 11 die PWM-Operation beginnt. Während dieser Periode der Rückwärtsregeneration
wird der PWM-Arbeitszyklus des (OUT–)-Signals im Graphen 12 kleiner, so dass
die Motorspannung einen kleinen negativen Wert annimmt. An dem Punkt,
an dem das (OUT+)-Signal die PWM-Operation beginnt, ist die an die
Motoranschlüsse
angelegte Span nung nahezu null. An diesem Punkt tritt der Motor
in den Vorwärtsdrehrichtungs-Antriebsquadranten
ein und beginnt, auf eine stetige Drehzahl in Vorwärtsrichtung
zu beschleunigen.
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Demgemäß ermöglichen
das System und das Verfahren, die oben genannt worden sind, dass der
Motor stets in einer Weise gesteuerten Drehmoments arbeitet, und
ein korrektes Auslegen der Leistungsbausteine. Da anstelle eines
Motorstromsensors ein einziger Busstromsensor verwendet wird, ist bei
nahezu den Kosten eines Zweiquadrantenbetriebs ein verbesserter
Betrieb geschaffen. Der Ist-Motorstrom wird anhand von Busstrominformationen
wiederhergestellt.