Motoransteuerung Wie Analogintegration die Entwicklung der Motoransteuerung im Auto vereinfacht

Autor / Redakteur: Arun Vemuri * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Elektromotoren sorgen für Zweckmäßigkeit und Komfort im Auto. MOSFETs als Schaltelemente ermöglichen eine bessere Ansteuerung der Elektromotoren, stellen aber Systementwickler vor neue Herausforderungen.

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Zweckmäßig und komfortabel soll ein Auto sein: Elektromotoren spielen dabei eine Schlüsselrolle – ganz gleich, ob es nun um die perfekte Sitzeinstellung oder die Betätigung von Türen, Fenstern oder anderen Teilen des Fahrzeugs geht.
Zweckmäßig und komfortabel soll ein Auto sein: Elektromotoren spielen dabei eine Schlüsselrolle – ganz gleich, ob es nun um die perfekte Sitzeinstellung oder die Betätigung von Türen, Fenstern oder anderen Teilen des Fahrzeugs geht.
(Bild: © Romvy - stock.adobe.com)

Wenn es um die Zweckmäßigkeit und den Komfort eines Kraftfahrzeugs geht, spielen Elektromotoren eine Schlüsselrolle – ganz gleich, ob es nun um die perfekte Sitzeinstellung oder die Betätigung von Türen, Fenstern oder anderen Teilen des Fahrzeugs geht.

So vielfältig diese Anwendungen auch sein mögen, haben sie doch die Gemeinsamkeit, dass es um Bewegung geht, und diese muss – das ist jedem Entwickler bewusst – gleichmäßig und präzise erfolgen und für die Personen im Auto einfach zu steuern sein. Bekanntermaßen lässt sich die Bewegung dieser mechanischen Komponenten mit Elektromotoren mühelos bewerkstelligen.

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Die Motoren, die man in der Karosserie von Kraftfahrzeugen einsetzt, werden mit Schaltern angesteuert, die in Form des Buchstaben H angeordnet sind. Diese Schaltungskonfiguration wird deshalb auch als H-Brücke bzw. Vierquadrantensteller bezeichnet (Bild 1). Man kann die vier Schalter einer H-Brücke grundsätzlich auch mit Relais implementieren, die allerdings neben den Schaltgeräuschen auch den weiteren Nachteil haben, dass mit ihnen keine genaue Positions- oder Drehzahlregelung möglich ist. Aus diesem Grund werden H-Brücken zunehmend mit MOSFETs realisiert.

Umstieg von Relais auf MOSFETs

Während die Verwendung von MOSFETs als Schaltelemente einerseits eine bessere Ansteuerung der Elektromotoren ermöglicht, bringt sie andererseits auch neue technische Herausforderungen beim Design elektronischer Ansteuermodule mit sich:

  • Unterdrückung der aus den PWM-Ansteuersignalen (Pulsweiten-Modulation) resultierenden elektromagnetischen Interferenzen (EMI).
  • Umgang mit der durch den Stromfluss erzeugten Wärme.
  • Stromerfassung zum Erkennen von Fehlfunktionen, zur Positionsbestimmung und zur Kommutierung.
  • Power-off-Bremsfunktion zur Abwendung von Schäden an den elektronischen Bauelementen.
  • Diagnose- und Schutzfunktionen zur Detektierung von Leitungsunterbrechungen und Kurzschlüssen.

Die Implementierung von Schaltungen, mit denen sich diese Herausforderungen bewältigen lassen, kann eine Zunahme der Lösungsabmessungen zur Folge haben. In diesem Beitrag werden daher neue, als integrierte Schaltungen ausgeführte Motortreiber vorgestellt, welche die Komplexität und die Entwicklungszeit von Ansteuerschaltungen für Elektromotoren verringern können. Diese Motortreiber, die auf modernsten IC-Fertigungsprozessen beruhen, enthalten analoge Features wie das Abflachen der PWM-Signalflanken, die Stromerfassung und das Power-off-Braking. Die besagten analogen Funktionen werden in Treiber für folgende Motorbauarten integriert:

  • Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren (Brushed Direct Current, BDC), deren Kommutierung mit mechanischen Systemen erfolgt. Man findet diese Bauart beispielsweise in Sitz-, Tür- und Fensterantrieben vor.
  • Bürstenlose Gleichstrommotoren (Brushless Direct Current, BLDC) mit elektronischer Kommutierung. BLDCs dienen unter anderem als Heckklappenantrieb.

Verwendung einer H-Brücke zur EMI-Reduzierung

Steuert man MOSFETs in einer H-Brücke mit PWM-Signalen an, so werden unweigerlich elektromagnetische Störgrößen erzeugt, die sich allerdings durch die Verwendung von Filtern, durch ein optimiertes Layout und durch gezieltes Formen der PWM-Signalflanken abmildern lassen.

H-Brücken-Gatetreiber für BDC-Motoren und Drei-Phasen-Gatetreiber für BLDC-Motoren sind mit der Smart-Gate-Drive-Technologie ausgestattet. Diese dient dazu, die Steilheit der steigenden und fallenden Flanken des PWM-Ansteuersignals zu kontrollieren. Sie ist außerdem so flexibel, dass ein Impulsverlauf gefunden werden kann, der das EMI-Niveau reduziert, ohne die thermischen Eigenschaften der MOSFETs zu beeinträchtigen.

Dual-Half-H-Brücken-Gatetreiber für BDC-Motoren eignen sich für Fensterheber- und Schiebedachantriebe, während sich Multihalf-H-Brückentreiber für die Sitzverstellung anbieten, bei der in der Regel mehrere Motoren zum Einsatz kommen.

Auswahl der Motortreiber nach thermischen Gesichtspunkten

In einer H-Brücke fließt der Motorstrom durch die MOSFETs, die naturgemäß einen gewissen elektrischen Widerstand haben. Wird die dadurch zwangsläufig entstehende Wärme nicht aus dem Umfeld des MOSFET abgeleitet, kann sich der Baustein so stark erwärmen, dass er aus seinem sicheren Arbeitsbereich herausgerät.

Bei Verbrauchern mit hohem Strombedarf bieten Gate-Treiber-Produkte die Option, das Design mit diskreten MOSFETs zu realisieren. Designer elektronischer Ansteuermodule können dann die Platzierung und das Layout des Gate-Treibers und der diskreten MOSFETs optimieren und für ein optimales Wärmemanagement sorgen. Bei niedrigen Lastströmen kann dagegen auf Ansteuermodule mit integrierten H-Brücken-MOSFETs zurückgegriffen werden, welche die angeschlossenen Verbraucher mit optimalen thermischen Eigenschaften ansteuern. Darüber hinaus sorgt die Integration der MOSFETs für insgesamt kleinere Abmessungen. Bausteine mit integrierten H-Brücken-MOSFETs sind jedoch für andere Maximalströme geeignet und können beispielsweise für die wenig Strom aufnehmenden Motoren zur Verstellung der Außenspiegel genutzt werden.

In Anwendungen wie den Lüftern für Sitzkühlsysteme werden Dreiphasen-BLDC-Motoren für niedrige Stromstärken verwendet, sodass Dreiphasen-BLDC-Motortreiber mit integrierten MOSFETs in Frage kommen, die auch den Kommutierungs-Algorithmus enthalten.

Schutz des Systems durch Strommessung

Durch Messung des in einem Elektromotor fließenden Stroms ist es möglich, Fehlfunktionen am Motor zu erkennen, die Rotorlage zu ermitteln und die Kommutierung vorzunehmen. Eine Möglichkeit der Strommessung beruht darauf, dass ein Widerstand in den Stromweg eingefügt und die daran abfallende Spannung verstärkt wird.

Gate-Treiber für BDC- und BLDC-Motoren sollten einen Strommessverstärker enthalten, der die am Messwiderstand abfallende Spannung verstärkt. Einige Bausteine sind sogar mit einem Strommessverstärker ausgestattet. Ein einziger Strommesswiderstand kann daher unabhängig von der Drehrichtung des Motors zum Messen des im Motor fließenden Stroms dienen. Im Gegensatz dazu lässt ein Strommessverstärker, der im unteren Zweig einer H-Brücke angeordnet wird, keine Rückschlüsse auf die Drehrichtung des Motors zu.

Die In-Line-Strommessung wird häufig genutzt, um die Welligkeit bei BDC-Motoren zu messen. Der gemessene In-Line-Strom wird zunächst mit einer analogen Schaltung oder per Software so aufbereitet, dass sich die Rotorlage bestimmen lässt. Diese Information dient anschließend zum Regeln der Position von Fenstern, Heckklappen oder Sitzen.

Systementwickler fassen die Verwendung von BLDC-Motoren beispielsweise für die Fensterheber von Elektrofahrzeugen ins Auge, weil sich diese Motorbauart durch geringe Geräuschentwicklung auszeichnet. Auch für das Drehen des Fahrersitzes in autonomen Fahrzeugen kommt diese Technik in Betracht, da sich BLDC-Motoren für große Leistungen eignen. Auch in solchen Anwendungen wird der Strom gemessen, um mögliche Fehler im Motor zu erkennen. BLDC-Motortreiber sind ebenfalls mit Strommessverstärkern ausgestattet, um den Designern das Optimieren ihrer Ansteuermodul-Designs zu ermöglichen.

Vermeidung von Schäden durch Power-off-Bremsung

Bewegt man bei abgeschaltetem Auto ein mechanisches System, an das ein Elektromotor gekoppelt ist, so wirkt ein BDC-Motor als Generator. Hierzu kann es beispielsweise kommen, wenn eine eigentlich elektromotorisch angetrieben Heckklappe von Hand geschlossen wird. In diesem Fall dreht sich der Antriebsmotor durch das manuelle Schließen der Heckklappe, und der nun als Generator wirkende Motor lässt einen Strom in das Ansteuermodul fließen. Durch diesen Strom wiederum können sich die Entkoppelkondensatoren, die mit der H-Brücken-Stromversorgung im Ansteuermodul verbunden sind, auf hohe Spannungen aufladen. Hierdurch können nicht nur Schäden an den Kondensatoren selbst entstehen, sondern auch in anderen elektronischen Bauteilen, die mit der Stromversorgungs-Leitung der H-Brücke im Ansteuermodul verbunden sind.

Gate-Treiber, die für die Ansteuerung von Heckklappenantrieben vorgesehen sind, verfügen deshalb über eine Power-off-Bremsfunktion, welche die erzeugte Spannung misst und den Motor elektronisch bremst. Der Motor wird dadurch am Drehen gehindert, und es wird folglich kein Strom erzeugt.

Integrierte Diagnose- und Schutzfunktionen

Gate-Treiber für BDC- und BLDC-Motoren sollten mit integrierten Diagnosefunktionen ausgestattet sein, um Leitungsunterbrechungen und Kurzschlüsse feststellen zu können. Diese Schaltungen verhindern das Einschalten der MOSFETs bei etwaigen Fehlern und bewahren das Ansteuermodul somit vor Schäden.

Abgesehen von der Integration können Produkte, die mit Ausfallarten-Verteilungs- und pinbezogenen Ausfallartanalyse-Informationen aufwarten, beim Design eines Ansteuermoduls helfen, das der für den Automotive-Bereich geltenden Functional-Safety-Norm ISO 26262 entspricht.

Die Tabelle gibt eine Übersicht über Produkte von Texas Instruments, die sich zur Ansteuerung von Motoren für die in diesem Beitrag erwähnten Anwendungen eignen.

* Arun Vemuri ist Sector General Manager für Automotive Body Electronics & Lighting bei Texas Instruments in Richardson, Texas, USA.

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