Klimaklappentreiber reduziert Verkabelungsaufwand und vereinfacht Schrittmotor

Für besseres Klima

16. Juni 2009, 9:01 Uhr | Herbert Sax

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Für besseres Klima

Alle Halbbrücken-Ausgänge sind gegen Überlastung oder Kurzschluss geschützt und bieten eine über die SPI-Schnittstelle rücklesbare Fehlerdiagnose. Eine weitere Besonderheit ist die bidirektionale Laststrommessung pro Kanal, die über einen SPI-gesteuerten Multiplexer auf alle Ausgänge sequentiell aufgeschaltet werden kann, wobei zwei Kanäle nach Wahl jeweils simultan abgefragt werden können. Dies ermöglicht eine software-basierende Blockerkennung der Klimaklappe beim Anschlag zur schnellen Positionsinitialisierung. Im Vergleich zu einer klassischen Ansteuerung von vier unipolaren Schrittmotoren über Achtfach-Low-side-Schalter spart das IC acht Leitungen ein und erlaubt zudem die Vereinfachung des Motors. Selbstverständlich lassen sich unipolar konfigurierte Schrittmotoren mit je einer Doppelwicklung pro Phase weiterhin verwenden. Eine der beiden Teilwicklungen einer Phase wird dann nicht angeschlossen. Sind mehr als vier Motoren zu steuern, lässt sich das IC kaskadieren. Bei entsprechender Auslegung reicht ein Aufwärtswandler für eine höhere Motoranzahl.

Ein Schaltwandler in Systemen, in denen er bisher nicht erforderlich war, steht sicher in der Kritik. Häufigster Einwand sind dabei leitungsgebundene Abstrahlprobleme – ein häufiges Angstszenario vieler Entwickler. Um dieses Argument zu entkräften, wurde ein Verfahren gewählt, das sich bei Mikrocontroller-Taktgeneratoren und geschalteten Audioverstärkern bewährt hat, sich bei Schaltreglern bisher jedoch nur zögerlich etabliert: Die Spread-Spectrum-Technik. Der linke Teil von Bild 5 zeigt das leitungsgebundene Spektrum des Schaltwandlers am Ladekondensator (2 × Ubatt) mit seiner Grundfrequenz von 200 kHz und den Oberwellen. Im rechten Teil ist die Schaltfrequenz mit 400 Hz und einem Frequenzhub von zehn Prozent statistisch verteilt moduliert. Das Ergebnis ist eine Reduktion der Amplitude von ca. 11 dB im gesamten Spektralbereich. Die Störstrahlungsenergie wird aus der Spitze herausgenommen und auf die Seitenbänder verteilt. Dieses Modulationsverfahren reduziert auch potentielle Funkstörungen im AM-Bereich, denn eine stehende Interferenz mit einem, dem Schaltfrequenz-Spektrum nahe liegenden Sender ist durch die statistische Breitbandmodulation der Schaltfrequenz nicht mehr möglich. Darüber hinaus erlaubt das IC das Einstellen der Schaltfrequenz mittels verschiedener Spread-Spectrum-Modulationsarten über die SPI-Schnittstelle zur individuellen Systemoptimierung.

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Bild 5. Grundfrequenz und Oberwellenspektrum des Schaltreglers mit optionaler FM-Modulation zur Reduktion der Spektralamplitude.

In Mittelklasse-Fahrzeugen ist die Klimaregelung aus Kostengründen stark vereinfacht, wobei oft nur drei elektronisch gesteuerte Klappensteller zum Einsatz kommen. Auch in dieser Applikation ist das IC wirtschaftlich einsetzbar, denn die Halbbrücken-Treiber können sowohl Schritt- als auch DC-Motoren ansteuern. Bild 6 zeigt eine Möglichkeit zum sequentiellen Betrieb von drei bipolar konfigurierten Schrittmotoren. Die Halbbrücken sind direkt mit Ubatt versorgt, ein Aufwärtswandler ist nicht erforderlich. Vergleichbar zu einer unipolaren Ansteuerung über Low-side-Schalter mit fünf Leitungen pro Motor spart man so drei Leitungen ein, bei vereinfachtem Schrittmotor. Das Funktionsprinzip erlaubt mit seinen acht Halbbrückenausgängen, jeweils drei Motoren sequentiell anzusteuern, da sich die Phasenwicklungen getrennter Motoren je eine Halbbrücke teilen. Bei Motoren im Ruhezustand bleibt jeweils eine Halbbrücke pro Phasenwicklung im hochohmigen Zustand, wodurch kein Strom durch deren Spulen fließt.

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Bild 6. Acht Halbbrückenausgänge steuern drei bipolare Schrittmotoren sequentiell.

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