Antriebssteuerungen im Automobil

In Kombination besser

In unseren Autos arbeiten eine Menge Antriebe, bevorzugt bürstenlose Gleichstrommotoren. Doch für diese sind besondere Treiber und Leistungsstufen nötig. Zudem muss gerade die Automobilindustrie eine kurze Markteinführungszeit und einen engen Kostenrahmen einhalten. Eine aufeinander abgestimmte Kombination aus Treiber-IC und Automobil-MOSFETs soll das möglich machen.

Elektrische Systeme in Fahrzeugen bieten mehr Komfort für die Insassen und die Fahrzeughersteller können die Größe, das Gewicht und die Kosten der Einbauten moderner Fahrzeuge dadurch verringern. Heutige Fahrzeuge sind mit zahlreichen Elektromotoren ausgestattet, zum Beispiel in der Klimaanlage, für die Sitz- und Spiegeleinstellung, zur Scheinwerferpositionierung, in Scheibenwaschpumpen und in größeren Systemen wie in der elektrischen Servolenkung.

In den meisten Fällen wird ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC; brushless DC) bevorzugt, und zwar aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit, geringen Reibung, kleinen Größe und relativ niedrigen Kosten. Allerdings ist dessen Steuerung komplexer als bei herkömmlichen Motoren mit Bürsten.

Für Systementwickler ist sie daher eine Herausforderung, wenn  es um die Attribute genaue Drehzahl und Positionssteuerung, hoher Wirkungsgrad, geringe Wärmeentwicklung und geringe Geräuschentwicklung geht. Hinzu kommt, dass diese Forderungen meist zusammen mit kurzen Entwicklungszeiten und wettbewerbsfähigen Preisen einhergehen müssen.

Automotive-qualifiziertes Treiber-IC

Normalerweise erfordert das Entwickeln und Programmieren eines sensorlosen BLDC-Controllers Expertenwissen und kann hinsichtlich der Schaltkreisimplementierung und Softwareentwicklung zeitaufwändig und teuer sein. Ein anwendungsoptimiertes Controller-IC, das wesentliche Funktionen in Hardware integriert, kann hier Abhilfe schaffen.

Allerdings sind Bausteine nur schwer zu finden, die den erforderlichen Funktionsumfang im Automobilbereich bieten und zudem noch nach Automotive-Standard qualifiziert sind. Eine aufeinander abgestimmte Kombination aus Treiber-IC und Automobil-MOSFETs soll eine komplette Systemlösung zur Ansteuerung von BLDCs bieten und Entwicklern den Zeitaufwand ersparen, die richtigen Bauteile auszuwählen und den Schaltkreis zu entwickeln.

Aus diesem Grund entwickelt Toshiba Controller-/Pre-Driver-ICs, die daraufhin ausgelegt sind, die Motor-Leistungsstufe anzusteuern und gleichzeitig die strengen Anforderungen der Standards AECQ100 und TS16949 zu erfüllen. Solche Bausteine machen den Einbau von BLDC-Motoren im kostensensitiven Automobilbereich um einiges wirtschaftlicher.

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Bild 1: Blockdiagramm des Automotive-qualifizierten Controller-/Pre-Driver-ICs »TB9061FNG« von Toshiba

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Bild 1: Blockdiagramm des Automotive-qualifizierten Controller-/Pre-Driver-ICs »TB9061FNG« von Toshiba

Unter diesen geplanten Bausteinen befindet sich der »TB9061FNG« zur Ansteuerung von Lüftern und Pumpen, wo eine schnelle Lastregulierung oder genau geregelte Rotorwinkel nicht erforderlich sind (Bild 1).

Er wird im SSOP-Gehäuse mit 24 Pins ausgeliefert und kann im Temperaturbereich von -40 °C bis +125 ºC betrieben werden.

Das Pre-Driver-IC akzeptiert PWMund DC-Steuerungseingänge und wird sechs Pre-Driver-Ausgänge (p-Kanal-/n-Kanal-MOSFETs) zur Ansteuerung von sensor- und bürstenlosen Dreiphasenmotoren enthalten.

Das Design reduziert den zusätzlichen Programmieraufwand erheblich, da die sensorlose Core-Logik zur Motorsteuerung in Hardware ausgeführt ist und zusammen mit Steuerungslogik integriert ist. Letztere umfasst einen PWMZähler, einen 8-Bit-A/D-Wandler sowie einen PWM-Generator.

Die PWM-Eingangsfrequenzen reichen von 10 Hz bis 1 kHz und lassen sich mit einem Tastverhältnis von fünf bis 95 Prozent ausstatten.

Das PWM-Eingangssignal wird über den integrierten Logikschaltkreis gemessen und berechnet. Der Baustein generiert dann am Ausgang ein entsprechendes PWM-Signal für die drei Phasen mit 20 kHz.

Mit diesem Baustein können Entwickler die Drehrichtung des Motors über einen einzigen externen Anschluss links oder rechts herum steuern. Ein dreikanaliger Komparator soll den Bedarf externer Bauteile bei der Erfassung der motorinduzierten Spannung minimieren.

Eine Blockiererkennung und eine Funktion für automatische Neustarts soll einen robusten und zuverlässigen Betrieb gewährleisten.

Zu den weiteren Sicherheitsmechanismen zählen Überstrom- und Unterspannungsschutz, wobei die Überstromerkennung bei zwei verschiedenen Stromwerten ausgelöst werden kann (begrenzt und Überstrom).

1. Teil: In Kombination besser
2. Teil: In Kombination besser

Weiterführende Links:

• Call for Papers: 3. Elektronik automotive congress 2011