DE19506273A1

DE19506273A1 - DC motor speed control circuit for use in motor vehicle

Info

Publication number: DE19506273A1
Application number: DE19506273A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Schneider; Klaus Dipl Ing Spreng
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 1996-09-05

Abstract

The circuit for controlling the speed of the DC motor using a PWM signal has the PWM signal generated with at least two different timing frequencies. A higher frequency signal is used for motor speeds in a lower range and as the speed increases, the signal frequency is reduced in steps. The total timing frequency range is from 5 Hz to 100 kHz. With a small mark-space ratio, such as 30%, the PWM signal has a high timing frequency and otherwise the frequency is lower than 200 Hz, preferably 18 Hz, whereas the high frequency is more than 15 kHz, preferably 20 kHz.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung ei nes Gleichstrommotors (DC-Motor), der von einer ein PWM-moduliertes Steu ersignal erzeugenden Ansteuerschaltung im Taktbetrieb betrieben wird.The invention relates to a circuit arrangement for speed control egg nes DC motor (DC motor) by a PWM modulated control ersignal generating drive circuit is operated in clocked mode.

Zur Drehzahlregelung von DC-Motoren, insbesondere in Kraftfahrzeuge ein gesetzte Lüftermotoren, wird die Speisespannung für den DC-Motor über Leistungstransistoren verändert. Dabei wird dieser Leistungstransistor über ein von einer Ansteuerschaltung erzeugtes impulsdauer-moduliertes (PWM- moduliert) Steuersignal getaktet, so daß sich am DC-Motor ein Spannungs mittelwert einstellt, der die Drehzahl des Motors bestimmt.For speed control of DC motors, especially in motor vehicles set fan motors, the supply voltage for the DC motor is over Power transistors changed. This power transistor is over a pulse duration modulated (PWM) modulated) clocked control signal, so that there is a voltage on the DC motor sets the average value that determines the speed of the motor.

Es ist bekannt, einen solchen Taktbetrieb mit einer niedrigen Taktfrequenz, von beispielsweise 20 Hz durchzuführen. Der Schaltungsaufwand hierfür ist gering, jedoch treten bei niedrigen Drehzahlen mechanische Vibrationen durch einen unrunden Motorlauf auf, was im Kraftfahrzeug zu Geräusch problemen führt. Diese Nachteile werden dadurch vermieden, daß eine hohe Taktfrequenz von beispielsweise 20 kHz bis 100 kHz verwendet wird. Bei diesen hohen Frequenzen treten jedoch EMV-Probleme auf, die im Kraft fahrzeug unerwünscht sind. Zur Beseitigung dieser Probleme sind zusätz liche Filter notwendig, die zu hohen Kosten und einem hohen Platzbedarf führen. Des weiteren können Temperaturprobleme auftreten, deren Beseiti gung größere Bauelemente erfordern, die wiederum zu höheren Kosten und erhöhtem Platzbedarf führen. It is known to operate such a clock mode with a low clock frequency, of 20 Hz, for example. The circuitry for this is low, but mechanical vibrations occur at low speeds due to a non-circular engine running, causing noise in the motor vehicle leads to problems. These disadvantages are avoided in that a high clock frequency of, for example, 20 kHz to 100 kHz is used. However, at these high frequencies, EMC problems occur that are in effect vehicle are undesirable. To eliminate these problems are additional liche filters necessary, which at high costs and a large space requirement to lead. Furthermore, temperature problems can occur, the elimination of which larger components require, which in turn at higher costs and lead to increased space requirements.

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines im Taktbetrieb betriebenen Gleichstrommotors an zugeben, die die o. g. Nachteile vermeidet.The object of the invention is therefore to provide a circuit arrangement Speed control of a DC motor operated in cyclical operation admit that the above Avoids disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspru ches 1 gelöst, wonach die Ansteuerschaltung PWM-Steuersignale mit wenig stens zwei unterschiedlichen Taktfrequenzen erzeugt, wobei der Taktbe trieb des DC-Motors derart erfolgt, daß in einem unteren Drehzahlbereich das PWM-Steuersignal eine hohe Taktfrequenz aufweist und mit höherwer dendem Drehzahlbereich die Taktfrequenz des PWM-Steuersignals stufen weise abnimmt.This object is achieved by the characterizing features of the patent claim Ches 1 solved, after which the control circuit PWM control signals with little least two different clock frequencies generated, the Taktbe drive of the DC motor takes place in such a way that in a lower speed range the PWM control signal has a high clock frequency and higher the clock frequency of the PWM control signal wise decreases.

Damit werden die Nachteile vermieden, die bei einem Taktbetrieb des DC- Motors mit niedriger Taktfrequenz im unteren Drehzahlbereich als auch bei hoher Taktfrequenz auftreten können. Dadurch, daß nur bei niedrigen Mo tordrehzahlen, die einem niedrigen Tastverhältnis des PWM-Steuersignales entsprechen, mit hoher Tastfrequenz getaktet wird, ist für den dabei auftre tenden kleinen Motorstrom der Filteraufwand gering, d. h. es ist nur eine ge ringe Anzahl von als Filter eingesetzten Elektrolytkondensatoren erforder lich. Gleichzeitig ist auch eine stärkere Verschleifung der Schaltflanken des PWM-Steuersignales aufgrund des kleinen Stromes möglich, was auch die Schaltverluste gering hält. Diese stärkere Verschleifung der Schaltflanken er zeugt zudem auch eine geringere HF-Störabstrahlung. Der DC-Motor läuft in diesem unteren Drehzahlbereich vibrations- und geräuschfrei.This avoids the disadvantages that arise when the DC Motors with low clock frequency in the lower speed range as well high clock frequency can occur. The fact that only at low Mo gate speeds, a low duty cycle of the PWM control signal correspond, is clocked with a high pulse frequency, is for the tendency small motor current the filter effort low, d. H. it's just a ge rings required number of electrolytic capacitors used as a filter Lich. At the same time, there is also a stronger grinding of the switching edges of the PWM control signals possible due to the small current, which is also the Keeps switching losses low. This stronger smoothing of the switching edges he also produces less RF interference. The DC motor runs in this lower speed range vibration and noise free.

Wird nun der DC-Motor in einen höheren Drehzahlbereich gesteuert, wird auf eine niedrige Taktfrequenz umgeschaltet. Aufgrund der höheren Dreh zahl läuft der DC-Motor nahezu vibrations- und geräuscharm. Obwohl nun höhere Pulsströme des DC-Motors auftreten, bleibt die Strombelastung der als Filter eingesetzten Elektrolytkondensatoren konstant, da aufgrund der niedrigen Taktfrequenz die Stromflußdauer durch diese Elektrolytkondensatoren kurz ist und dazwischen lange Pausen auftreten, d. h. der Motorstrom einen kleinen Effektivwert aufweist. Aufgrund dieser niedrigen Effektivströ me durch die Elektrolytkondensatoren können 125°C-Bauelemente bei rela tiv hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, da die Eigenerwär mung dieser Elektrolytkondensatoren gering bleibt. Dies läßt den Einsatz ko stengünstiger Elektrolytkondensatoren zu.If the DC motor is now controlled in a higher speed range, is switched to a low clock frequency. Because of the higher rotation the DC motor runs with almost no vibration or noise. Although now higher pulse currents occur in the DC motor, the current load remains used as a filter electrolytic capacitors constant because of the low clock frequency the current flow duration through these electrolytic capacitors is short and there are long pauses in between, d. H. the motor current has a small effective value. Because of these low effective currents me through the electrolytic capacitors can 125 ° C components at rela tiv high ambient temperatures are used because the self-heating tion of these electrolytic capacitors remains low. This leaves the use ko most affordable electrolytic capacitors.

Schließlich können bei diesen niedrigen Taktfrequenzen die Schaltflanken noch stärker verschliffen werden, wodurch EMV-Störungen nochmals redu zierbar sind.Finally, at these low clock frequencies, the switching edges can be sanded even more, which further reduces EMC interference are decoratable.

Der Frequenzbereich der Taktfrequenz beginnt bei niedrigen Frequenzen mit 5 Hz und endet bei hohen Frequenzen mit 100 kHz.The frequency range of the clock frequency starts at low frequencies at 5 Hz and ends at 100 kHz at high frequencies.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind für die PWM-Steuersignale zwei Taktfrequenzen mit einer hohen und einer niedrigen Frequenz vorge sehen. Vorzugsweise wird das eine hohe Taktfrequenz aufweisende PWM- Steuersignal bei kleinen Tastverhältnissen, insbesondere bis zu 30% einge setzt und die Taktfrequenz erst dann auf die niedrigere Taktfrequenz umge schaltet, wenn der DC-Motor auf höhere Drehzahlen gesteuert werden soll.In a preferred embodiment are for the PWM control signals pre-selected two clock frequencies with a high and a low frequency see. Preferably, the PWM having a high clock frequency Control signal with small duty cycles, in particular up to 30% turned on sets and the clock frequency is only then converted to the lower clock frequency switches when the DC motor is to be controlled at higher speeds.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine niedrige Taktfrequenz mit einer Frequenz von weniger als 200 Hz, vorzugsweise 18 Hz und eine hohe Taktfrequenz mit einer Frequenz von wenigstens 15 kHz, vorzugsweise jedoch 20 kHz eingesetzt.In another embodiment, a low clock frequency with a frequency of less than 200 Hz, preferably 18 Hz and one high clock frequency with a frequency of at least 15 kHz, preferably however, 20 kHz is used.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zu sammenhang mit der Figur dargestellt und erläutert werden.In the following, the invention is to be illustrated using an exemplary embodiment be shown and explained in connection with the figure.

Diese Figur zeigt einen DC-Motor 1, der über einen Leistungstransistor T mit einer Betriebsspannungsquelle von beispielsweise +12 V verbunden ist, wo bei diese Betriebsspannungsquelle die Bordbatterie eines Kraftfahrzeuges darstellen kann. Der Leistungstransistor T weist eine Steuerelektrode auf, die mit einer Ansteuerschaltung 2 verbunden ist, die ein PWM-Steuersignal die sem Leistungstransistors T zuführt, wodurch der DC-Motor 1 im Taktbetrieb betrieben wird. Ferner dient ein zur Betriebsspannungsquelle parallelge schalteter Elektrolytkondensator C als Filterelement und eine parallel zum DC-Motor 1 geschaltete Diode D als Freilaufdiode. This figure shows a DC motor 1 , which is connected via a power transistor T to an operating voltage source of, for example, +12 V, where the operating battery source of a motor vehicle can represent this operating voltage source. The power transistor T has a control electrode which is connected to a drive circuit 2 which supplies a PWM control signal to the sem power transistor T, as a result of which the DC motor 1 is operated in clocked mode. Furthermore, an electrolytic capacitor C connected in parallel with the operating voltage source serves as a filter element and a diode D connected in parallel with the DC motor 1 as a freewheeling diode.

Die Ansteuerschaltung 2 ist mit einer Steuereinheit 3 verbunden, die ihrer seits in Abhängigkeit von Eingabesignalen E entsprechende Steuersignale der Ansteuerschaltung 2 zuführt. So kann beispielsweise bei Verwendung des DC-Motors als Lüftermotor in einem Kraftfahrzeug der Luftdurchsatz mittels entsprechender Eingabesignale E eingestellt werden, so daß entspre chende Steuersignale die Steuereinheit 3 für die Ansteuerschaltung 2 gene riert. Bei geringem Luftdurchsatz, also bei niedriger Drehzahl, erzeugt die Ansteuerschaltung 2 ein PWM-Steuersignal mit einer Taktfrequenz von ca. 20 kHz, das einem niedrigen Tastverhältnis entspricht, das zwischen wenigen Prozenten und ca. 30% liegt. Wird ein höherer Luftdurchsatz gewünscht, also eine höhere Drehzahl eingestellt, erzeugt die Ansteuerschaltung 2 ein PWM-Steuersignal mit einer Taktfrequenz zwischen 5 Hz und 200 Hz, bei spielsweise von 18 Hz. Die Drehzahl ist dabei so hoch, daß nunmehr der DC- Motor nahezu vibrations- und geräuschlos läuft.The drive circuit 2 is connected to a control unit 3 which supplies its corresponding part in response to input signals E control signals of the drive circuit. 2 For example, when using the DC motor as a fan motor in a motor vehicle, the air flow rate can be set by means of corresponding input signals E, so that corresponding control signals generate the control unit 3 for the control circuit 2 . With a low air throughput, that is to say at a low rotational speed, the control circuit 2 generates a PWM control signal with a clock frequency of approximately 20 kHz, which corresponds to a low duty cycle, which is between a few percent and approximately 30%. If a higher air throughput is desired, that is, a higher speed is set, the control circuit 2 generates a PWM control signal with a clock frequency between 5 Hz and 200 Hz, for example of 18 Hz. The speed is so high that the DC motor is now almost runs without vibration and noise.

Die Erfindung ist nicht nur darauf beschränkt, daß die Ansteuerschaltung in Abhängigkeit der Drehzahl bzw. des Tastverhältnisses nur zwei PWM-Steuer signale mit unterschiedlichen Taktfrequenzen erzeugt, sondern umfaßt auch solche Schaltungen, bei denen mehr als zwei PWM-Steuersignale verwendet werden, die sich in den Taktfrequenzen unterscheiden. Dann wird der ge samte Drehzahlbereich des DC-Motors in mehr als zwei Drehzahlbereiche auf geteilt, denen jeweils eine bestimmte Taktfrequenz zugeordnet wird.The invention is not only limited to the fact that the drive circuit in Depending on the speed or the duty cycle, only two PWM controls Generates signals with different clock frequencies, but also includes such circuits using more than two PWM control signals that differ in the clock frequencies. Then the ge entire speed range of the DC motor in more than two speed ranges shared, each of which is assigned a specific clock frequency.

Claims

1. Circuit arrangement for speed control of a DC motor ( 1 ), which is operated by a control circuit generating a PWM-modulated control signal ( 2 ) in clocked operation, characterized by the following features:

a) the control circuit ( 2 ) generates PWM-modulated control signals with at least two different clock frequencies,
b) the clock operation of the DC motor ( 1 ) takes place in such a way that in a lower speed range the PWM-modulated control signal has a high clock frequency and the speed of the PWM-modulated control signal decreases gradually as the speed increases.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the Frequency range of the clock frequency is 5 Hz to 100 kHz.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that for the PWM-modulated control signals two clock frequencies with one high and a low frequency value are provided.

4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that at small duty cycle, in particular up to 30%, the PWM-modulated Steueri gnal a high clock frequency and otherwise a low clock frequency points.

5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the low clock frequency a frequency value of less than 200 Hz, preferably as 18 Hz and the high clock frequency a frequency value of more than 15 kHz, preferably 20 kHz.