-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung
von DC-Lüftern nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 7.
-
Ein
derartiges Verfahren zur Ansteuerung eines einen elektronisch kommutierten
Motor aufweisenden DC-Lüfters
geht aus der
DE 197
19 823 A1 in Verbindung mit dem darin abgehandelten Stand
der Technik hervor. Bei diesem bekannten Verfahren kann ein Abschaltwinkel
des Treibersignals vorverlegt werden, um bei dadurch erreichter
kürzerer
Periodendauer eine Drehzahlerhöhung
zu erreichen. Neben einer Messeinrichtung zur Bestimmung eines Referenzwinkels
kann die vorzeitige Abschaltflanke beispielsweise mit einer zweiten
Rotorpositionsmesseinrichtung gewonnen werden, die gegenüber der ersten
Messeinrichtung um eine Winkeldifferenz versetzt ist. Alternativ
kann der Winkel der Abschaltflanke auch über ein elektronisches Zeitglied
ermittelt werden. Zum Stand der Technik ist in dieser Druckschrift
angegeben, eine abfallende Flanke des Steuersignals aus der Erkennung
des Nulldurchgangs der in einer Messwicklung induzierten Spannung
zu gewinnen. Auch eine entsprechende Vorrichtung zur An steuerung
eines einen elektronisch kommutierten Motor aufweisenden DC-Lüfters ist
angegeben.
-
DC-Lüfter mit
elektronisch kommutiertem Außenläufermotor
sind bereits bekannt. Um die Drehzahl eines derartigen DC-Lüfters überwachen und
steuern zu können,
bedarf es einer speziellen Ausgestaltung des Lüfters. Da nicht alle Hersteller derartige
Lüftertypen
fertigen, sind derartige Lüftertypen
am Markt sehr teuer. Weiterhin ist eine Anpassung der Ansteuer-
und Überwachungsschnittstelle eines
derartigen Lüfters
an spezielle, am Einsatzort vorliegende Gegebenheiten nicht ohne
größeren zusätzlichen
Aufwand möglich.
-
Zur
Drehzahlüberwachung
und Steuerung bieten bestimmte Hersteller Speziallüfter an,
deren Drehzahlsteuereingang und Überwachungseingang vom
Hersteller bei der Fertigung implementiert werden. Nachteile einer
derartigen Lösung
bestehen im hohen Preis und einem festen, vom Anwender nur mit zusätzlichem
Aufwand veränderbaren
Drehzahlsteuerbereich. Weiterhin besteht bei dieser Lösung die Überwachungsfunktion
oft nur in der Ausgabe eines Blockiersignals oder der Ausgabe drehzahlproportionaler
Rechtecksignale. Ferner erfolgt bei derartigen Lüftern bei der Überwachung
der Grenzdrehzahl keine Anpassung an den Drehzahlsollwert.
-
Weiterhin
ist es bereits bekannt, eine Drehzahlbeeinflussung über die
Lüfterspannung
mit speziellen Ansteuerschaltkreisen durchzuführen. Derartige spezielle Ansteuerschaltkreise
werden beispielsweise von der Firma Maxim unter den Bezeichnungen
MAX 6650 und MAX 6651 angeboten. Es hat sich gezeigt, dass bei einer
derartigen Lösung
bei niedrigen Drehzahlen im Ansteuertransistor eine hohe Verlustleistung
auftritt. Weiterhin verringert sich bei dieser Lösung das Drehmoment proportional
mit der Drehzahl. Ferner sind die bekannten An steuerschaltkreise
nur bei Lüftertypen
mit großem
Eingangsspannungsbereich einsetzbar. Lüfterdrehzahlen, die kleiner
sind als die halbe Nenndrehzahl, sind bei Verwendung der genannten
Ansteuerschaltkreise nicht möglich.
-
Ferner
ist es bereits bekannt, eine Drehzahlbeeinflussung mittels spezieller
Ansteuerschaltkreise unter Verwendung einer asynchronen Pulsbreitenmodulation
zur Lüfterdrehzahl
zu realisieren. Derartige Ansteuerschaltkreise werden von den Firmen
Maxim unter der Bezeichnung MAX 1669, Micrel unter der Bezeichnung
MIC 502 und TelCom unter den Bezeichnungen TX 642, TC 643, TC 646
und TC 649 angeboten. Bei diesen Ansteuerschaltkreisen wird bei
konstanter Periodendauer das Tastverhältnis verändert, um die Drehzahl des
Lüfters
zu beeinflussen. Nachteile dieser Ansteuerschaltkreise bestehen
darin, dass sie nicht für
alle Lüftertypen
einsetzbar sind. Weiterhin kommt es bei Verwendung derartiger Ansteuerschaltkreise
zu Drehzahlsprüngen
innerhalb des Drehzahlstellbereiches. Ferner ist keine Grenzdrehzahlüberwachung,
sondern lediglich eine Blockierüberwachung
möglich.
Bei Lüfterdrehzahlen,
die kleiner sind als die halbe Nenndrehzahl, kommt es zu einem unruhigen
Lüfterlauf.
In Störfällen bleibt
das Drehmoment unverändert,
wenn nicht Regelmechanismen aktiv werden.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung von DC-Lüftern anzugeben,
die die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweisen.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 und eine
Vorrichtung mit den im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen
Ansprüchen.
-
Die
Erfindung ermöglicht
eine Drehzahlüberwachung
und -beeinflussung von DC-Lüftern
mit elektronisch kommutiertem Außen läufermotor unabhängig vom
Lüfterhersteller.
Nachteile wie hohe Verlustleistung bei niedrigen Drehzahlen und
ein Auftreten von Drehzahlsprüngen
innerhalb des Drehzahlstellbereiches werden vermieden. Weiterhin
sind Lüfterdrehzahlen,
die kleiner sind als die halbe Nenndrehzahl, möglich, ohne dass eine Beeinträchtigung des
Lüfterlaufes
auftritt.
-
Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung er e sich anhand deren
beispielhafter Erläuterung
mittels der Figuren. Es zeigt
-
1 ein Blockschaltbild einer
Vorrichtung gemäß der Erfindung,
-
2 Zeitdiagramme der Mess-Spannung Umeß gemäß 1 und
-
3 ein Diagramm, welches
für verschiedene
Lüftertypen
den Verlauf der Drehzahl in Abhängigkeit
von der Ausschaltzeit zeigt.
-
Die 1 zeigt ein Blockschaltbild
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Diese Vorrichtung weist einen DC-Lüfter 1 mit einem elektronisch
kommutierten Motor auf, der im Betrieb auf das Auftreten von Fehlern überwacht
werden soll. Weiterhin soll der Motor gesteuert und bezüglich einer
Drehzahl geregelt werden.
-
Der
Lüfter
mit dem Motor, dessen Polzahl pz beispielsweise gleich 4 ist,
ist zwischen einen eine positive Versorgungsgleichspannung V+ liefernden Versorgungsspannungsanschluss 2 und
den Kollektor eines npn-Transistors 3 geschaltet. Der Emitter des
Transistors 3 ist über
den Messwiderstand 4, über
welchen eine Messspannung Umeß abfällt, mit Masse 5 verbunden.
Dem Basisanschluss des Transistors 3 wird als Ansteuersignal
das Ausgangssignal eines Speichers 7 zugeführt.
-
Der
masseferne Anschluss des Messwiderstandes 4 ist an einen
Flankendetektor 6 angeschlossen. Dessen Ausgangssignal
ist mit dem Setzeingang des Speichers 7 verbunden. Weiterhin
wird das Ausgangssignal des Flankendetektors 6 als Ladesignal
auch den Ladeeingängen
eines Timers 10 und eines Registers 11 zugeführt.
-
Der
Timer 10 weist weiterhin einen Eingang für ein Taktsignal
CLK, einen ersten, mit dem Register 11 verbundenen Ausgang
sowie einen zweiten, mit dem Rücksetzeingang
des Speichers 7 verbundenen Ausgang auf.
-
Das
Ausgangssignal des Registers 11 ist an einen Summierer 12 geführt. Diesem
wird als weiteres Eingangssignal ein im Steuerwerk 9 erzeugtes
Signal, das dem Ausschaltzeitintervall ASZ entspricht, zugeführt. Ein
Ausgang des Summierers 12, an welchem ein Drehzahlistwertsignal
DZIW vorliegt, ist mit einem Fehlerdetektor 13 verbunden.
Weiterhin steht der Summierer 12 über eine Leitung in Verbindung mit
dem Steuerwerk 9, um diesem den ermittelten Drehzahlistwert
DZIW zuzuführen.
-
Der
Fehlerdetektor 13 erhält
als weiteres Eingangssignal ein im Steuerwerk 9 ermitteltes,
der Solldrehzahl SDZ entsprechendes Signal zugeführt und stellt an seinem Ausgang
ein Fehlersignal F zur Verfügung,
welches dem Bus 15 zugeleitet wird.
-
Weiterhin
weist die in der 1 gezeigte Vorrichtung
einen Temperaturfühler 8 auf,
mittels welchem die Temperatur des zu kühlenden Betriebsmittels erfasst
wird. Das Ausgangssignal δI
des Temperaturfühlers
wird als Temperatur-Istwertsignal dem Steuerwerk 9 zugeführt. Weiteren
Eingängen
des Steuerwerks 9 werden über Eingabemittel 16 ein Nenndrehzahlsignal
Nnenn, ein Sleepmode-Signal SL ein Starttemperatursignal δS, ein Endtemperatursignal δE und ein
Signal pz zugeführt,
welches Auskunft über
die Polzahl des Lüftermotors
gibt. Bei den Eingabemitteln 16 kann es sich um einen Speicher und/oder
um ei ne Eingabetastatur und/oder um eine serielle Schnittstelle
handeln.
-
Das
Steuerwerk 9 berechnet neben dem bereits genannten Ausschaltzeitintervall
ASZ und der Solldrehzahl SDZ weiterhin auch ein Übertemperatursignal Üt und berechnet
unter Verwendung des Drehzahlistwertes DZIW und der Polzahl pz des
Motors die Ist-Drehzahl n des Motors. Das Übertemperatursignal Üt und die
Ist-Drehzahl n werden dem Datenbus 15 zugeführt. Die
Information über
das Ausschaltzeitintervall ASZ wird auch an den Timer 10 geleitet.
-
Der
Datenbus 15 ist mit einer Schnittstelle 14 verbunden, über welche
von einer Zentrale Informationen über den Istzustand des Lüfters abgefragt
werden können.
-
Die
gezeigte Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Über den Ausgang des Speichers 7 wird
die Basis des Transistors 3 mit Impulsen angesteuert, die
der Einschaltzeit entsprechen. Dadurch wird die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 3 leitend, wodurch ein Stromfluss im Lüfter 1 ermöglicht wird,
welcher ausgehend von der Gleichspannungsquelle V+ über den
Lüfter,
die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 3 und den
Messwiderstand 4 nach Masse verläuft. Dabei fällt über dem
Messwiderstand 4 eine Messspannung Umess ab, die auch Auskunft über den
Lüfterstrom
gibt. Die in der 2 gezeigten
Kurvenverläufe
zeigen den grundsätzlichen
Verlauf des Lüfterstromes.
Dabei sind in der oberen Darstellung der Lüfterstrom beim Vorliegen der
Nenn-Drehzahl und in der unteren Darstellung der Lüfterstrom
bei einem Abweichen von der Nenn-Drehzahl veranschaulicht.
-
Bei
dem Lüfter 1 handelt
es sich – wie
bereits oben erwähnt
wurde – um
einen DC-Lüfter
mit elektronisch kommutiertem Motor. Die Polzahl des Motors ist
beispielsweise gleich 4, so dass während einer Umdrehung des Motors
vier Kommutierungsim pulse erzeugt bzw. vier Kommutierungsschritte
vollzogen werden.
-
Aus
der unteren Darstellung ist ersichtlich, dass ein Kommutierungszeitintervall
in ein Einschaltzeitintervall ESZ und ein Ausschaltzeitintervall
ASZ unterteilt ist, wobei die Summe aus Einschaltzeitintervall und
Ausschaltzeitintervall einer Periodendauer τ, d. h. einem Kommutierungsschritt,
entspricht: τ =
ESZ + ASZ.
-
Die
Dauer eines Kommutierungszeitintervalles ist in Abhängigkeit
von der gemessenen Isttemperatur des zu kühlenden Betriebsmittels und/oder
von erfassten Störsignalen
veränderbar.
Dabei wird die Dauer des Ausschaltzeitintervalles verändert. Erfasste
Störgrößen des
Lüfters
sind beispielsweise auftretende Reibung und der Luftwiderstand,
wobei diese Störgrößen über die
Soll-Istwert-Differenz erfasst werden können.
-
Aus
der unteren Darstellung von 2 ergibt sich
weiterhin, dass die Ausschaltzeitintervalle mit den Kommutierungsschritten
synchronisiert sind. Der Beginn eines Ausschaltzeitintervalles schließt sich unmittelbar
an eine abfallende Flanke des Lüfterstromes
an.
-
Diese
abfallenden Flanken werden mittels des Flankendetektors detektiert.
Dabei entsteht am Ausgang des Flankendetektors 6 ein Impuls,
der das Speicherelement setzt und dadurch eine Unterbrechung der
Ansteuerung des Lüfters
und damit des Lüfterstromes
für die
Zeitdauer ASZ in die Wege leitet.
-
Gleichzeitig
wird der Timerwert ESZ, der dem Einschaltzeitintervall entspricht,
in das Register 11 übernommen
und der Timer 10 vom Steuerwerk 9 mit der Ausschaltzeit
ASZ geladen. Ist dies geschehen, dann erfolgt durch den Takt CLK
ein Herunterzählen
des Timers 10 bis auf den Wert Null. Ist dieser Wert erreicht,
dann wird am Ausgang des Timers 10 ein Rücksetzsignal
erzeugt und dem Rücksetzeingang
des Speichers 7 zugeführt.
Durch dessen Ausgangssignal wird der Transistor 3 wieder
durchgeschaltet, wodurch der Lüftermotor
bis zum Auftreten der nächsten
abfallenden Flanke des Lüfterstromsignals
wieder mit Spannung versorgt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich
dann periodisch entsprechend der Lüfterstromimpulse.
-
Das
Ausgangssignal des Registers 11, welches das Einschaltzeitintervall
ESZ charakterisiert, und das Ausgangssignal ASZ des Steuerwerkes 9, welches
das Ausschaltzeitintervall charakterisiert, werden dem Summierer 12 zugeführt und
dort zur Ermittlung des Drehzahlistwertes addiert: DZIW
= ESZ + ASZ.
-
Der
ermittelte Drehzahlistwert DZIW wird dem Steuerwerk 9 zugeführt. Dieses
ermittelt dann unter Berücksichtigung
der Polzahl des Lüftermotors die
Ist-Drehzahl n des Motors gemäß folgender
Beziehung: n = 60/(DZIW·pz).
-
Diese
Ist-Drehzahl n wird vom Steuerwerk 9 dem Bus 15 zugeführt und
kann über
diesen und die Schnittstelle 14 einer externen Zentrale
zugeleitet werden.
-
Um
eine Fehlerdetektion zu ermöglichen,
berechnet das Steuerwerk 9 unter Berücksichtigung des vom Temperaturfühler 8 erfassten
Temperaturistwertes δI
und eines vorgegebenen Temperaturbereiches einen Drehzahlsollwert
SDZ. Dieser wird dem Fehlerdetektor 13 zugeführt, dem
andererseits auch der im Summierer 12 ermittelte Drehzahlistwert DZIW
zugeleitet wird. Im Fehlerdetektor erfolgt eine Überprüfung, ob der Drehzahlistwert
DZIW in einem vom Drehzahlsollwert abgeleiteten Drehzahlsollintervall
liegt oder nicht. Ist dies nicht der Fall, dann gibt der Fehlerdetektor 13 ein
Fehlersignal F aus, wel ches an den Datenbus 15 geleitet
und über
die Schnittstelle 14 an die externe Zentrale übermittelt werden
kann.
-
Das
Steuerwerk 9 ermittelt, wie bereits oben ausgeführt wurde,
das Ausschaltzeitintervall ASZ, die Solldrehzahl SDZ und die Istdrehzahl
n, wobei die Berechnung des Ausschaltzeitintervalls und der Solldrehzahl
in Abhängigkeit
von dem mittels des Temperaturfühlers 8 erfassten
Temperaturistwertes des Lüftermotors
erfolgt. Als weitere Eingangssignale können dem Steuerwerk 9 unter
Verwendung der Eingabemittel 16 in vorteilhafter Weise
Informationen über die
Nenndrehzahl Nnenn des Lüfters 1,
Informationen δS
und δE über den
Temperaturbereich, in welchem der Lüfterbetrieb erfolgen soll,
Informationen SL über
die im Anwendungsfall gewünschte
Verwendung oder Nichtberücksichtigung
eines Sleepmodes, in welchem der Lüfter abgeschaltet wird, wenn
eine weitere Kühlung
nicht erforderlich ist, und Informationen über die Polzahl pz des Lüfters zugeführt werden.
Durch diese Eingabemöglichkeiten
ist eine einfache Anpassung der Ansteuerung an eine Vielzahl von
konkreten Anwendungsfällen
möglich,
beispielsweise eine Anpassung an verschiedene Lüftertypen, an verschiedene
Temperaturbereiche, an Motoren unterschiedlicher Polzahl und Nenndrehzahl.
-
Die
Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. So kann durch die
Berücksichtigung
der mittels eines Messfühlers
erfassten Temperatur eine temperaturabhängige Drehzahlbeeinflussung
des Lüfters durchgeführt werden.
Dies ermöglicht
eine Minimierung der Kühlgeräusche. Die
Istdrehzahl des Lüftermotors
ist mit hoher Genauigkeit messbar, wobei die Periodendauer des Lüfterstromes
ein Maß für die Istdrehzahl
darstellt.
-
Da
im Gegensatz zur Verwendung einer asynchronen PWM-Ansteuerung die
Periodendauer des Lüfterstromes
nicht konstant ist, ergibt sich folgender Vorteil:
Wird der
Lüfter
durch eine Störgröße abgebremst, dann
bleibt das Ausschaltzeitintervall ASZ unverändert, während sich das Einschaltzeitintervall
ESZ vergrößert. Dadurch
erhöht
sich der Stromanteil pro Kommutierungsschritt. Dies bedeutet auch
eine Erhöhung
des Drehmoments. Folglich erzeugt jede Drehzahlverringerung ein
höheres
Drehmoment, so dass Störgrößen automatisch
entgegengewirkt wird. Zusätzlich
ist für
Drehzahlen, die kleiner sind als die Nenndrehzahl, eine Drehzahlregelung
einsetzbar.
-
Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass im Fehlerfall
das Unterschreiten einer Grenzdrehzahl sehr genau feststellbar ist.
Beim bekannten PWM-Verfahren verläuft die Frequenz asynchron
zum Kommutatorstrom. Dies erlaubt keine genaue Drehzahlmessung.
Bestenfalls kann eine Lüfterblockierung
als Fehleraussage getroffen werden. Dieser Nachteil wird durch die
Erfindung beseitigt.
-
Weiterhin
gestattet das erfindungsgemäße Verfahren
auch Drehzahlbeeinflussungen des Lüfters bei Drehzahlen, die kleiner
als die halbe Nenndrehzahl sind, wobei ein kontinuierlicher Lüfterlauf
sichergestellt ist. Innerhalb des Drehzahlstellbereiches treten
keine Drehzahlsprünge
auf.
-
Durch
das genaue Erfassen der Istdrehzahl besteht die Möglichkeit,
die Drehzahlfehlergrenze der Solldrehzahl anzupassen. Es entsteht
eine variable Grenzdrehzahl entsprechend der Drehzahlvorgabe durch
die Temperatur. Dadurch werden schwergängige Lüfter eher erkannt und in Form
einer Fehlermeldung signalisiert.
-
Das
beanspruchte Verfahren vereinigt die Vorteile einer kontinuierlichen
Drehzahlbeeinflussung mit dem eines hohen Wirkungsgrades im Stromverbrauch
bei der Drehzahlstellung. Es ist keine zusätzliche Elektronik im Lüfter erforderlich.
Die beschriebene externe Ansteuerelektronik ermöglicht einen hohen Grad an
Flexibilität
zur vorliegenden Schnittstelle.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
für die
Erfindung wurde eine Nenndrehzahl von 2800 U/min verwendet. Der
Stellbereich liegt zwischen 30 % und 100 % der Nenndrehzahl bzw.
zwischen 840 und 2800 U/min. Die Polzahl beträgt 4. Durch Anwendung der obigen
Beziehung für
den Drehzahlistwert DZIW ergibt sich, dass bei Vorliegen der Nenndrehzahl
alle 5,357 ms eine Stromimpulsflanke auftritt und beim Vorliegen
von 840 U/min alle 17,857 ms.
-
Die
maximale Ausschaltzeit ergibt sich durch Differenzbildung aus diesen
beiden Werten zu 12,5 ms. Eine Ausschaltzeit, die im Bereich zwischen
12,5 ms und 0 ms liegt, ermöglicht
eine Drehzahlbeeinflussung zwischen 30 % und 100 % der Nenndrehzahl.
-
Dieser
Stellbereich wird durch das Steuerwerk dem festgelegten Temperatursteuerbereich
zugeordnet. Wird dieser Bereich im Betrieb überschritten, dann generiert
das Steuerwerk 9 ein Übertemperatursignal Üt, welches über den
Bus 15 gemeldet oder über
eine Leuchtdiode angezeigt wird.
-
Die 3 zeigt ein Diagramm, welches
für verschiedene
Lüftertypen
den Verlauf der Drehzahl in Abhängigkeit
von der Ausschaltzeit ASZ zeigt. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich,
dass bei hohen Drehzahlen kleine Ausschaltzeiten und bei niedrigen Drehzahlen
große
Ausschaltzeiten vorliegen.