Elektromotoren im Auto ansteuern: Welcher Treiber für welchen Motortyp?

Bild 1: Übersicht über die Motortreiber der H-Brücken-Familie VIPower M0-7. STMicroelectronics

Gleichstrommotoren repräsentieren etwa 70 Prozent der in einem Fahrzeug verbauten Elektromotoren und dominieren somit auch stückzahlmäßig den Markt. Zu verdanken ist dies nicht nur ihrer Einfachheit, sondern auch ihrer unkomplizierten Anwendung und dem günstigen Preis sowohl des Motors selbst als auch der Ansteuerelektronik.

Für die Designer von Automotive-Systemen sind sie aufgrund dieser Faktoren eine gute Wahl für verschiedenste Anwendungen wie etwa Türen, Spiegel oder Sitze. Zu den Nachteilen, mit denen Gleichstrommotoren üblicherweise behaftet sind, gehören die Geräuschentwicklung, die geringere Energieeffizienz und Leistungsdichte, die stärkeren elektromagnetischen Störaussendungen und die auf den Bürstenverschleiß zurückzuführende geringere Lebensdauer.

Vorteile und Ansteuerung von BLDC-Motoren

Dass BLDC-Motoren (brushless DC) einen beträchtlichen Marktanteil erringen konnten, liegt an ihren prinzipbedingten Pluspunkten. Dazu zählen der höhere Wirkungsgrad und die geringere Wärmeentwicklung, die höhere Leistungsdichte, reduzierte elektromagnetische Störemissionen sowie die größere Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. BLDC-Motoren bringen es auf dem Automobilmarkt auf eine wachsende Akzeptanz, und zwar insbesondere in Systemen, in denen die Motoren über längere Zeitspannen arbeiten (zum Beispiel Kraftstoffpumpen).

Bild 2: Beispiel eines kaskadierten Türschlosssystems mit drei VNH7100BAS-Treibern mit zwei Motoren je Tür. STMicroelectronics

Bild 3: Ein abweichendes Konzept für die Ansteuerung und den Schutz eines Gleichstrommotors ist die Verwendung eines Vortreibers wie des L99H01. STMicroelectronics

Im Unterschied zu bürstenbehafteten Gleichstrommotoren benötigen BLDC-Motoren allerdings externe Ansteuerschaltungen zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds, das zum Drehen des Rotors erforderlich ist. Voraussetzung hierfür ist eine Information über die Rotorposition zum Erzeugen der notwendigen Ansteuersequenz. Hierfür bieten sich verschiedene Ansteuerstrategien an. Zu den einfachsten gehört die sogenannte Sechsschritt-Kommutierung, bei der die einzelnen Phasen sequenziell nacheinander kommutiert werden. Bei diesem Verfahren sind zwei Motorphasen bestromt und mit der positiven und negativen Stromversorgung des Motors verbunden, während eine Phase unbestromt bleibt.

Die Information über die Rotorposition wird entweder mithilfe von Positionssensoren (zum Beispiel Hall-Sensoren) erzeugt oder aus der Gegen-EMK (elektromagnetische Kraft) der unbestromten Phase extrahiert. Eine weitere Ansteuermethode ist die Sinus-Ansteuerung, bei der die Motorphasen so bestromt sind, dass in jeder Phase ein sinusförmiger Strom induziert wird. In diesem Fall wird die Information über die Lage des Rotors mit hochauflösenden Sensoren (beispielsweise Sinus/Cosinus-Sensoren) gewonnen, oder durch Messen der Motorströme und -spannungen unter Anwendung eines mathematischen Modells des Motors.

Schrittmotoren für präzise Positionierung

Schrittmotoren kommen üblicherweise dann zum Einsatz, wenn ohne Regelung eine präzise Positionierung erzielt werden soll, denn bei Schrittmotoren geschieht das Erkennen der Position durch die Verfolgung der ausgeführten Schritte. Wegen der fehlenden Bürsten stellen auch Schrittmotoren eine zuverlässige Lösung dar, die zum Beispiel in Anwendungen wie adaptiven Scheinwerfern oder Head-up-Displays zum Einsatz kommt. Nachteilig an Schrittmotoren ist die Tatsache, dass es bei ihnen bei bestimmten Drehzahlen zu Resonanzeffekten kommen kann, was dann möglicherweise zu einem Drehmomentverlust und zum Auslassen von Schritten führt. Die sogenannte Mikroschritt-Technik kann jedoch die Resonanzprobleme beheben und ist außerdem günstig für die Geräuschentwicklung und die Schrittauflösung.

Treiber-Technologien

Die Motortreiber von STMicroelectronics werden in zwei verschiedenen Technologien entwickelt:  VIPower (Vertical Intelligent Power) und BCD (Bipolar-CMOS-DMOS). VIPower-Motortreiber basieren auf integrierten Vertical Double Diffused Power MOSFETs und sind für Gleichstrommotoren mittlerer bis hoher Leistung vorgesehen. BCD-Motortreiber dagegen zielen auf sämtliche Motorsegmente (also auf bürstenbehaftete und bürstenlose Gleichstrommotoren sowie Schrittmotoren) und decken hier sowohl den Bereich mittlerer bis niedriger Leistung ab (in diesem Fall sind die Leistungs-MOSFETs in den Treiber integriert), als auch Motoren mit sehr hoher Leistung (mit externen Leistungs-MOSFETs).

Was bei der Ansteuerung zu beachten ist

Beim Ansteuern von Gleichstrommotoren in Automobil-Anwendungen sind einige wichtige Dinge zu beachten.

• Häufig muss die Motordrehzahl variabel sein. Dies lässt sich erreichen, indem eine pulsweitenmodulierte Spannung an die Klemmen des Motors angelegt wird und damit die durchschnittliche Spannung am Motor variiert. Normalerweise wird eine PWM-Frequenz von 20 kHz verwendet, um das Entstehen hörbarer Geräusche zu unterbinden.
• Das System muss etwaige Fehlfunktionen des Motors in Echtzeit erkennen und darauf reagieren (dabei kann es sich beispielsweise um einen Kurzschluss zwischen den Motorklemmen und der Masse oder der Batteriespannung oder um eine unterbrochene Verbindung zwischen Motor und Versorgungsspannung handeln).
• Das System muss während des Betriebs den Motorstrom überwachen, um etwaige Überlastungen zu erkennen (in traditionellen Systemen kommen hierfür Shunt-Widerstände zum Einsatz).
• Das System muss den Motor bei zu geringer Versorgungsspannung deaktivieren, damit er in keinen undefinierten Zustand gerät.
• Wenn der Treiber im Motorraum mit seinen hohen Temperaturen platziert wird, kann eine Temperaturüberwachung für das elektronische Steuergerät erforderlich sein.

Integrierte Gleichstrommotor-Treiber

Die H-Brücken-Familie VIPower M0-7 (Bild 1) besteht aus einer Reihe integrierter Bausteine, die über eingebaute Leistungsstufen verfügen und ein Verstellen der Motordrehzahl durch PWM-Ansteuerung mit bis zu 20 kHz ermöglichen. Letzteres geschieht über einen speziellen PWM-Eingang, der auf die unteren MOSFETs wirkt. Zusätzlich besitzen die Bausteine einen Multisense-Pin, der folgende Diagnoseinformationen liefert:

• Gespiegelter Laststrom im ON-Status (so dass kein externer Shunt-Widerstand benötigt wird)
• Signalisierung von Kurzschlüssen zur Masse und zur Batterie im ON-Zustand
• Signalisierung von Stromkreisunterbrechungen im OFF-Zustand
• Ausgabe eines sich proportional zur Chiptemperatur verändernden Signals (dies kann dem System beim Ermitteln der lokalen Leiterplattentemperatur helfen)

Bild 4: Auswahl eines Freilaufkonzepts für den Treiber L99H01. So lässt sich auch ein Funktionstest für jeden Leistungs-MOSFET implementieren. STMicroelectronics

Die analogen Signale werden auf den Multisense-Pin gemultiplext, wobei die Auswahl über einen oder zwei spezielle Pins erfolgt. Drei Ansteuer-Eingänge (INA, INB und PWM) legen die Drehrichtung fest und dienen zur PWM-Ansteuerung des Motors. Ebenso wie der Multisense-Rückmeldeanschluss lassen sie sich direkt mit den I/O-Anschlüssen des Mikrocontrollers verbinden, so dass sich das Ansteuern und die Echtzeit-Diagnose des Motors recht einfach gestalten. Sollte die Bordnetzspannung zu weit absinken, schaltet die Treiberstufe der H-Brücke die Leistungs-MOSFETs außerdem automatisch ab.

Anwendungsfall Zugangskontrolle

Bild 5: Der BLDC-Treiber L99ASC03G bietet die Möglichkeit, die Gegen-EMK zu detektieren. STMicroelectronics

Tür- und Safe-Schlösser sind gängige Aktoren in Zugangskontrollsystemen, die zum Ver- und Entriegeln von Autotüren dienen. Einige Automobilhersteller integrieren diese Funktionen in das Body Control Module (BCM). Hier kommen oftmals noch Relais zum Einsatz, jedoch geht der Trend in den letzten Jahren vermehrt dahin, die Relais durch kontaktlose Schalter zu ersetzen, um die für Relais typischen Nachteile zu vermeiden. Dazu gehören die Schaltgeräusche, die geringere Lebensdauer, die fehlende Möglichkeit des PWM-Betriebs und die fehlenden Diagnosefunktionen sowie der größere Platzbedarf auf der Leiterplatte.

In Bild 2 ist ein Beispiel mit drei kaskadierten VNH7100BAS für ein Kfz-Zugangskontrollsystem zu sehen. Für die linke und rechte Tür sind jeweils zwei Motoren pro Tür vorhanden – einer für die Hauptverriegelung und ein Safe-Lock-Motor, der ein unerwünschtes Öffnen der geschlossenen Tür verhindert. Da sich jeder Zweig des VNH7100BAS einzeln ansteuern lässt, sind die Motoren zum Betätigen der Hauptverriegelung und des Safe-Locks nacheinander bestrombar.

Die typischen Ströme bei Türschlössern liegen zwischen 0,5 A und maximal 10 A, bei einer Aktivierungszeit von weniger als einer halben Sekunde. Ein VNH7100BAS (mit 100 mΩ pro Zweig in einem SO-16N-Kunststoffgehäuse) reicht deshalb normalerweise aus, was die Verlustleistung auf einer FR4-Leiterplatte betrifft.

Ansteuerung mit Vortreiber

Bild 6: Die Motor-Phasenspannungen und die Detektierung der Gegen-EMK mit dem Treiber L99ASC03G. STMicroelectronics

Bild 7: Der Schrittmotortreiber L99SM81V detektiert und schützt sich selbst und das gesamte System vor Phänomenen wie Kurzschlüssen, Stromkreisunterbrechungen und Blockierungen des Motors. STMicroelectronics

Ein abweichendes Konzept für die Ansteuerung und den Schutz eines Gleichstrommotors ist das Verwenden eines Vortreibers wie des L99H01 (Bild 3). Dieser Baustein enthält vier Gatetreiber zum Ansteuern von vier externen N-Kanal-MOSFETs in H-Brücken-Konfiguration. Es stehen zwei Gehäuseversionen zur Auswahl, nämlich das PowerSSO-36 (mit herausgeführten Wärmeableit-Pads) und das ganz aus Kunststoff gefertigte LQFP32. Mit seiner Einfachheit und Flexibilität eignet sich der L99H01 für eine Vielzahl von Anwendungen im Fahrzeug – unter anderem für die Schiebedachbetätigung oder die Getriebesteuerung.

Dank der SPI-Schnittstelle des Bausteins kann ein externer Mikrocontroller Diagnoseinformationen auslesen und mehrere Funktionen des Bausteins programmieren, was zu mehr Flexibilität auf der Applikations-Ebene führt. Für Situationen wie zum Beispiel Kurzschlüsse und Überhitzungen sowie Unter- und Überspannungen sind umfassende Schutz- und Diagnosefunktionen vorhanden.

Elektromotoren stellen für die Treiberschaltung eine induktive Last dar. Deshalb ist es zur Minimierung der Verlustleistung erforderlich, dem Motorstrom bei Verwendung der PWM-Ansteuerung eine Freilaufdiode zur Verfügung zu stellen. Der L99H01 bietet dem Anwender weitreichende Flexibilität bei der Wahl der Freilauf-Strategie (Bild 4). Durch geeignete Wahl der Freilauf-Konfiguration ist außerdem die Implementierung eines Funktionstests für jeden Leistungs-MOSFET möglich, der vor jeder Aktivierung der H-Brücke durchgeführt wird.

Der in der H-Brücke fließende Strom lässt sich mithilfe eines oder beider Strommessverstärker (Current-Sense Amplifier, CSA) messen, die in den L99H01 integriert sind. Diese Verstärker bieten eine Reihe spezifischer Vorteile. Da ihre Eingänge für hohe Spannungen geeignet sind, lassen sie sich für die Strommessung auf der Masseseite, auf der Plusseite oder direkt in Reihe mit dem Motor verwenden, sodass der Anwender redundante Messungen vornehmen kann. Hinzu kommt, dass der Verstärkungsfaktor der Verstärker über die SPI-Schnittstelle programmierbar ist, was mehr Flexibilität bei der Applikationsentwicklung ergibt. Schließlich ist auch eine Offsetkalibrierung der Verstärker möglich, um die Auswirkungen des nativen Offsets der Verstärker auf die Strommessung zu verringern.

Treiber für BLDC-Motoren

BLDC-Motoren lassen sich per Sechsschritt-Kommutierung oder mit sinusförmiger Ansteuerung betreiben. Sofern keine genaue Kontrolle der Drehmomentwelligkeit des Motors erforderlich ist, stellt eine sensorlose Sechsschritt-Kommutierung eine attraktive Lösung zur Erfüllung der Systemanforderungen dar, denn wegen der fehlenden Sensoren ergeben sich Kosten- und Platzersparnisse. Allerdings ist in diesem Fall eine Methode zur Detektierung der Gegen-EMK notwendig. Aus den Faradayschen Induktionsgesetzen ist bekannt, dass ein veränderlicher magnetischer Fluss Φ durch einen Stromkreis eine elektromotorische Kraft erzeugt, die V=-dΦ/dt beträgt. Angewendet auf die Phasenwicklung eines Elektromotors bedeutet dies, dass ein veränderlicher magnetischer Fluss in der Spule eine Spannung in eben dieser Spule erzeugt. Die Maxima und Minima des magnetischen Flusses treten zudem bei bestimmten Rotorpositionen auf. Zum Auffinden dieser Punkte ist festzustellen, wann die induzierte Spannung (also die Gegen-EMK) gleich null ist.

Der BLDC-Treiber L99ASC03G von ST (Bilder 5 und 6) bietet eine flexible Möglichkeit zum Detektieren der Gegen-EMK. Ein Satz Komparatoren überwacht die Spannung an der unbestromten Phasenwicklung und signalisiert das Auftreten eines Nulldurchgangs über einen einzigen Digitalausgang, der sich mit einem externen Controller verbinden lässt. Durch Wahl der geeigneten Einstellungen über eine SPI-Schnittstelle kann die Schaltung zur Detektierung der Gegen-EMK in der Ein- und Aus-Phase eines jeden PWM-Zyklus arbeiten – unabhängig davon, ob das PWM-Signal an die oberen oder die unteren Schalter gelegt wird. Unerwünschte Fehldetektierungen werden durch interne Filterung der Phasenspannungen vermieden, was für erhebliche Flexibilität hinsichtlich der Betriebsbedingungen sorgt. Für diese Funktion wird zudem kein Neutralpunkt mit externen Widerständen und Komparatoren benötigt.

Als weitere Features des L99ASC03G kommen sechs einstellbare Gatetreiber für externe MOSFETs, ein programmierbarer Strommessverstärker zum Messen des Motorstroms (dies ermöglicht auch ein sensorloses Anlaufen des Motors), ein Spannungsregler und ein Watchdog für einen externen Controller, eine integrierte Ladungspumpe für den Betrieb mit niedrigen Spannungen sowie umfangreiche Schutz- und Diagnosefunktionen (zum Beispiel für Unterspannung, Überspannung , Übertemperatur, Kurzschluss, Shoot-Through) hinzu. Dank der Feature-Ausstattung des L99ASC03G ist es möglich, ein hohes Maß an Systemflexibilität zu erzielen und den Bedarf eines Systems an externen Bauteilen zu minimieren, wodurch sich wiederum der insgesamt entstehende Platz- und Kostenaufwand verringert. Der L99ASC03G wird in einem Gehäuse der Bauform TQFP48 mit herausgeführten Thermal Pads angeboten.

Schrittmotortreiber

Bekanntermaßen kann es bei Schrittmotoren bei bestimmten Drehzahlen zu Resonanzphänomenen kommen. Diese Resonanzen sind auf die Konstruktionsweise des Motors zurückzuführen und ebenfalls von der mit dem Motor verbundenen Last abhängig. Die Folge kann ein Drehmomentverlust des Motors sein, als dessen Konsequenz wiederum Schritte übersprungen werden. Der Ursprung der Resonanzen liegt in dem pulsierenden Energietransfer an den Rotor infolge der unstetigen Änderungen des Statorflusses im Zusammenhang mit den Schrittwechseln.

Die sogenannte Mikroschritt-Technik kann Abhilfe gegen Resonanzprobleme schaffen und ist außerdem günstig für die Geräuschminderung und die Schrittauflösung. Im Mikroschritt-Betrieb werden die relativen Ströme in den Motorwicklungen variiert, um die Winkelstellung des Rotors zu verändern. Dies bewirkt eine gleichmäßige Änderung des Statorflusses und führt somit zu einer ebenso gleichmäßigen Bewegung des Rotors, wodurch sich die Anregung von Resonanzen verringert. Je kleiner die (Mikro-)Schritte sind, umso weniger Anregungsenergie wird an den Motor übertragen, so dass die Vibrationen und damit die Geräuschentwicklung minimal ausfallen. Abgesehen von der Eindämmung der Resonanzeffekte bietet der Mikroschritt-Betrieb den Vorteil, dass sich die Positionsauflösung wegen der kleineren Schrittwinkel verbessert.

Treiber für bipolare Schrittmotoren

Der L99SM81V (Bild 7) als aktuellster Schrittmotortreiber von ST ist für bipolare Schrittmotoren vorgesehen und wurde für Automotive-Anwendungen wie etwa adaptive Scheinwerfer, Head-up-Displays oder Drosselklappen-Betätigungen entwickelt. In ihn sind die beiden H-Brücken integriert, die zum Ansteuern der Phasenwicklungen eines bipolaren Schrittmotors notwendig sind. Der Baustein regelt den Strom in den Motorphasen gemäß den über sein SPI-Interface programmierten Einstellungen (zum Beispiel Mikroschritt-Auflösung, Current-Decay-Modus, PWM-Frequenz).

Die Stromregelschleife kommt ohne externe Bauelemente und ohne Intervention seitens des externen Mikrocontrollers aus. Der Mikroschritt-Betrieb wird bis zu einem Sechzehntel eines elektrischen Vollschritts unterstützt, was insgesamt 64 Mikroschritten für eine komplette elektrische Umdrehung entspricht. Um Positionsfehler zu vermeiden, die durch Strom-Ungleichgewichte in den Phasenwicklungen des Motors im Mikroschritt-Betrieb entstehen können, wird der relative Fehler beider Ströme innerhalb des Treibers minimiert. Die Schaltgeschwindigkeit der Treiberstufe ist programmierbar, damit der Anwender einen guten Kompromiss zwischen Verlustleistung und elektromagnetischen Störemissionen finden kann. Wählbar sind verschiedene Current-Decay-Modi, um die Stromregelschleife anzupassen und unter allen Betriebsbedingungen (Versorgungsspannung, Motorparameter, Drehzahl) eine optimale Regelung zu erzielen. Mithilfe eines Ladungspumpen-Ausgangs ist ferner die Ansteuerung eines externen MOSFETs möglich, um einen Batterie-Verpolungsschutz zu realisieren.

Obwohl Schrittmotoren häufig ohne Positionssensoren (also ungeregelt) zum Einsatz kommen, kann in bestimmten Anwendungen nicht auf Sensoren verzichtet werden. Für die Versorgung eines externen Positionssensors ist ein 5-V-Regler in den Baustein eingebaut, der gegen Überlastungen ebenso geschützt ist wie gegen Kurzschlüsse zur Masse und zur Batteriespannung.

Der L99SM81V detektiert und schützt sich selbst und das gesamte System vor verschiedenen Phänomenen wie etwa Kurzschlüssen, Stromkreisunterbrechungen oder Blockierungen des Motors. Sämtliche Diagnose-Ereignisse werden per SPI einem externen Mikrocontroller mitgeteilt. Darüber hinaus lässt sich die Innentemperatur des Treibers auslesen und an einem speziellen Pin des IC überwachen. Zusätzlich verfügt der Treiber über zwei spezielle Diagnose-Flags, um dem Mikrocontroller eine Temperaturwarnung und eine temperaturbedingte Abschaltung zu signalisieren. Es gibt den L99SM81V mit zwei Gehäusen (PowerSSO-36 und QFN40L), die beide ein herausgeführtes Thermal Pad besitzen.

(na)

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