DE102004008394A1

DE102004008394A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ansteuerung eines im Querzweig einer Brückenschaltung angeordneten Elektromotors

Info

Publication number: DE102004008394A1
Application number: DE102004008394A
Authority: DE
Inventors: Gregor Svobodnik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-08
Also published as: US7141944B2; FR2866761A1; FR2866761B1; US20050200323A1

Abstract

Vorrichtung zur Ansteuerung eines im Querzweig einer Brückenschaltung angeordneten Elektromotors, dessen Motorstrom durch Schaltelemente steuerbar ist, die in einem ersten Brückenzweig durch eine elektromagnetische Schalteinrichtung und in einem zweiten Brückenzweig durch zwei in Reihe geschaltete, in Gegenphase getaktete Halbleiterschalter gebildet sind. Durch die gegenphasige Taktung der beiden Halbleiterschalter wird ein Aktivfreilaufzweig geschaffen, so dass eine Freilaufdiode entfällt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines im Querzweig einer Brückenschaltung angeordneten Elektromotors, dessen Motorstrom durch Schaltelemente steuerbar ist.
Brückenschaltungen mit einem im Querzweig angeordneten Elektromotor sind in verschiedenen leistungselektronischen Schaltungen bekannt. Eine sog. Vollbrückenschaltung besteht in der Regel aus vier elektronischen Schaltern in den Brückenzweigen, von denen jeweils zwei in einem Brückenzweig zwischen der Speisespannung und Masse geschaltet sind. Durch diese Schalter lässt sich nicht nur die Richtung des Motorstroms im Querzweig, sondern auch dessen Größe steuern. Dadurch ist ein Betrieb des Antriebssystems in allen vier Quadranten des Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinienfeldes möglich.
In der Automobiltechnik werden derartige Brückenschaltungen bei Komfortsystemen eingesetzt, und dienen beispielsweise als Antriebssystem für einen fremdbetätigten Fensterheber, eine Sitzverstellung, ein Schiebedach oder einen Gurtroller. Bei einem elektrischen Fensterheber ist es erforderlich, dass über einem bestimmten Verstellbereich aus Sicherheitsgründen ein Einklemmschutz wirksam ist. Das Antriebssystem ist deshalb so ausgelegt, dass sobald eine Drehzahlverzögerung erkannt wird, die Drehrichtung des Motors sofort umgekehrt wird. Bei einer Federrate von 10 Newton pro Millimeter darf die Einklemmkraft 100 Newton nicht überschreiten. Diese Funk tion wird von einer elektronischen Steuerung sichergestellt, welche die Motordrehzahl während des Stellvorgangs überwacht. Die Steuerung ist häufig dezentral angeordnet und in den Fensterhebermotor integriert, wodurch sich der Verkabelungsaufwand im Kfz minimieren lässt. Zur Regelung der Geschwindigkeit des Stellantriebs dient ein in die Zuleitungen zur Batterie geschaltetes Halbleiterbauelement, zum Beispiel ein getakteter Leistungs-Feldeffekttransistor, auch als Chopper bezeichnet. Zur Umpolung des Motors werden sogenannte Umpolrelais verwendet, das sind elektromechanische Umschaltvorrichtungen, die aus zwei Elektromagnetsystemen bestehen, von denen jeweils ein Arbeitskontakt mit dem Querzweig der Brückenschaltung verbunden ist, und die Ruhekontakte jeweils in einen Brückenzweig geschaltet sind. Ein elektromechanisches Umpolrelais, wie es typischerweise für Antriebsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, ist in EP 055 6 540 B1 beschrieben.

Bei der Taktung eines im Querzweig einer Brückenschaltung angeordneten Gleichstrommotors, sind so genannte Freilaufdioden erforderlich, welche den Motorstrom in jenen Schaltphasen übernehmen, in denen der Chopper die Verbindung zur Batterie trennt. Diese Freilaufdioden sind zu den Brückenzweigen parallel geschaltet. Eine Freilaufdiode stellt ein zusätzliches Bauelement dar, das entsprechende Kosten verursacht und auf der Steuerschaltung einen entsprechenden Einbauraum beansprucht. Wird die Steuerschaltung in das Motorgehäuse integriert, ist der Einbauraum aber eng begrenzt. Ferner lastet auf der Steuerelektronik, wie auch auf anderen Baukomponenten des Antriebssystems, ein erheblicher Kostendruck. Bei der Entwicklung ist man stets bemüht, die gewünschte Funktionalität mit einer möglichst geringen Anzahl und mit möglichst kostengünstigen Bauelementen zu verwirklichen.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors so anzugeben, dass Freilaufdioden nicht erforderlich sind und die Steuervorrichtung kostengünstig herstellbar ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei einer Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und bei einem Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, die durch eine Freilaufdiode passiv geführte Freilaufschaltung durch eine aktive Freilaufschaltung zu ersetzen. Durch diese "Mischtechnologie" fällt die Freilaufdiode weg und die Schaltung kann mit einem vergleichsweise günstigen Aufwand realisiert werden. Kennzeichnend für die Erfindung ist also, dass die Brückenschaltung im einen Brückenzweig mit einer elektromechanischen Schalteinrichtung und im anderen Brückenzweig durch zwei in Reihe geschaltete, in Gegenphase getaktete Halbleiterschalter gebildet wird. Durch die gegenphasige Ansteuerung der beiden Halbleiterschalter führt jeweils einer der beiden Halbleiterschalter den von der Batterie zum Motor fließenden Strom, während der andere Schalter den durch die Wirkung der Motorinduktivität aufrecht erhaltenen Stromfluss ableitet.

Bevorzugt wird eine Ausführung, bei der die Halbleiterschalter als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.

Hinsichtlich der Ansteuerung der Halbleiterschalter ist es zweckmäßig, wenn die Feldeffekttransistoren von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp sind, das heißt die in Reihe in einem Brückenzweig geschalteten Halbleiterschalter bestehen bevorzugt aus einem P-Kanal Leistungs-Feldeffekttransistor und einem N-Kanal Leistungs-Feldeffekttransistor.

Schaltungstechnisch günstig ist dabei eine Anordnung, bei der der P-Kanal Leistungs-Feldeffekttransistor in einem zwischen den Pluspol der Versorgungsspannung und einem Motoranschluss liegenden Abschnitt des Brückenzweiges angeordnet ist, während der N-Kanal Leistungs-Feldeffekttransistor im zwischen dem Minuspol der Versorgungsspannung und einem Motoranschluss liegenden Abschnitt des Brückenzweiges geschaltet ist.

Um zu verhindern, dass bei einem unbeabsichtigten falsch gepolten Anschluss der Batterieklemmen nicht Bauelemente der Steuerschaltung zerstört werden, ist es zweckmäßig, wenn in eine der beiden Anschlussleitungen, welche die Brückenschaltung mit der Fahrzeugbatterie verbinden, ein zweites elektromagnetisches System geschaltet ist und einen Verpolschutz bildet. Ein Umpolrelais, das bereits zwei Elektromagnetsysteme aufweist, kann hierzu vorteilhaft eingesetzt werden, wobei das erste Elektromagnetsystem als Schaltrelais in einem Brückenzweig benutzt wird und das zweite Elektromagnetsystem des Umpolrelais den Verpolschutz bildet.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. In diesen zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik wie sie für einen elektrisch betätigten Fensterheber eines Kraftfahrzeuges verwendet wird;
2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, wobei abweichend vom 1 in einem der beiden Brückenzweige eine elektromagnetische Schalteinrichtung angeordnet ist und der Motorstrom durch Taktung von zwei im zweiten Brückenzweig in Reihe geschaltete und in Gegenphase getaktete Halbleiterschalter angeordnet sind, wobei der Freilaufstrom aktiv in einen im unten dargestellten Teil der Brückenschaltung geführten Kreis geleitet ist;
3 die Schaltungsanordnung gemäß 2, wobei die Stromrichtung im Querzweig der Brückenschaltung ge wendet ist und der Freilaufstrom in den oben dargestellten Teil der Brückenschaltung geführt ist.
Ausführung der Erfindung
In 1 ist ein Schaltplan für eine Antriebsvorrichtung eines fremdbetätigten Fensterhebers gemäß dem Stand der Technik schematisch dargestellt. Das Schaltbild zeigt einen Gleichstrom-Kommutator-Motor 1, der im Querzweig 11 einer Brückenschaltungen angeordnet ist. Die Drehrichtung des Motors 1 ist durch ein Umpolrelais 23 umkehrbar. Das Umpolrelais 23 besteht aus einem ersten Elektromagnetsystem, durch welches ein Arbeitskontakt 2 zwischen zwei Gegenkontakte 2a und 2b im ersten Brückenzweig umschaltbar ist, sowie aus einem zweiten Elektromagnetsystem, durch welches der Arbeitskontakt 3 zwischen zwei Gegenkontakte 3a und 3b im zweiten Brückenzweig umschaltbar ist. Je nach Schaltstellung der Kontakte des Umpolrelais 23 fließt der Motorstrom im dargestellten Querzweig 11 von links nach rechts bzw.- wie in der Schaltkonfiguration des Umpolrelais 23 der 1 dargestellt – von rechts nach links. In der Verbindungsleitung zwischen der Brückenschaltung und dem negativen Pol 7 der Kfz Batterie sind zwei elektronische Schalter 5 und 6, die als Leistungs-Feldeffekt-Transistoren ausgeführt sind, geschaltet. Mit D und S sind jeweils Drain und Source dieser beiden N-Kanal-Feldeffekttransistoren 5 und 6 gekennzeichnet. Der Transistor 5 wird getaktet. Der Transistor 6 dient als Verpolschutz, das heißt der Schalter 6 ist im Normalbetrieb geschlossen und wird nur im Falle einer fehlerhaften Polung der Betriebsspannung UB geöffnet. Zwischen dem positiven Pol 8 der Versorgungsspannung UB und der Verbindungsleitung zwischen den beiden Schaltern 5 und 6 ist ein Elektrolytkondensator 9 geschaltet. Während der Öffnungszeit des Schalters 5 zirkuliert der Motorstrom, der durch die Motorinduktivität weiter getrieben wird, über eine Freilaufdiode 4, die den beiden Brückenzweigen parallel geschaltet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebssteuerung ist in der 2 bzw. in der 3 dargestellt. Die beiden Schaltpläne zeigen wieder einen Motor 1 im Querzweig 11 einer Brückenschaltung. Die Brückenschaltung ist über Verbindungsleitungen mit den Klemmen 7, 8 einer Gleichspannungsquelle UB verbunden. In die Verbindungsleitung zum negativen Pol 7 der Batterie ist ähnlich zur Schaltung in 1 ein Verpolschutz geschaltete, der hier aber aus einem elektromechanischen Schalter besteht, dessen Arbeitskontakt 3 vom Ruhekontakt 3a getrennt wird, wenn die beiden Pole der Kfz Batterie in unbeabsichtigter Weise vertauscht angeschlossen werden. Den Brückenzweigen ist ein Elektrolytkondensator 9 parallel geschaltet. Im linken Brückenzweig ist eine elektromagnetische Schalteinrichtung 23 angeordnet. Die Schalteinrichtungen 23 besteht aus einem Arbeitskontakt 2, der durch ein Elektromagnetsystem zwischen zwei Ruhekontakten 2a und 2b umschaltbar ist. Im Unterschied zu 1 setzt sich die Schalteinrichtung im rechten Brückenzweig aus zwei in Reihe geschalteten elektronischen Schaltern zusammen, die als Leistungs-Feldeffekt-Transistoren 12 und 13 ausgeführt sind. An den Steueranschlüssen 15 und 16 der Schalter 12 und 13 werden Steuersignale zugeführt. Diese Steuersignale sind zueinander in Gegenphase versetzt, so dass jeweils einer der beiden Schalter 12 bzw. 13 leitend ist, während der andere sperrt. Wie weiter unten näher dargestellt, übernimmt je nach Stromrichtung im Querzweig 11 einer dieser beiden Schalter 12 bzw. 13 die Rolle eines so genannten Choppers, der den von der Batterie zu Motor geführte Strom taktet, und der andere, während der Öffnungszeiten des Choppers, den Motorstrom aktiv in einen so genannten Freilaufkreis führt.
In der Darstellung der 2, bei der Strom im Mittelzweig 11 von rechts nach links fließt (durch Pfeilrichtung gekennzeichnet), sei zunächst davon ausgegangen, dass der Schalter 12 sich in einem leitenden Zustand befindet. Der Motor 1 nimmt von der Batterie Strom auf. Der Strompfad verläuft im Schaltbild der 2 vom positiven Pol 8 der Versorgungsspannung über den Querzweig 11 und den Arbeitskontakt 2, der am Ruhekontakt 2b anliegt, zum negativen Pol 7 der Batterie. Sobald der Schalter 12 öffnet, wird der Schalter 13 durch die gegenphasige Ansteuerung leitend und führt den von der Motorinduktivität weiter getriebenen Strom in einen Freilaufkreis, der in 2 durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist.
In der Darstellung der 3 wurde im Unterschied zu 2 die Drehrichtung reversiert, das heißt der Strom im Querzweig 11 der Brückenschaltung verläuft nun von links nach rechts (durch Pfeilrichtung gekennzeichnet). Der Strompfad führt über den am Kontakt 2a anliegenden Arbeitskontakt 2 zum Diagonalzweig 11 und von dort über den Schalter 13 und der geschlossenen Schalterstellung des Verpolschutzes zum negativen Pol 7 der Kfz Batterie. Geht man nun bei dieser Schaltkonfiguration wieder davon aus, dass der Chopper, hier der Schalter 13, den Strompfad unterbricht, so wird der Schalter 12 leitend und übernimmt den von der Motorinduktivität aufrecht erhaltenen Strom in den oberen Freilaufkreis, der in 3 durch den Pfeil mit den Bezugszeichen 14 gekennzeichnet ist.
Die Erzeugung der den Steuerelektroden in 15 und 16 zugeführten Steuersignale erfolgt in an sich bekannter Schaltungstechnik und wird vorliegend nicht näher dargestellt. Selbstverständlich muss dabei der Fall ausgeschlossen sein, dass beide Halbleiterschalter gleichzeitig leitend sind. Dies kann zweckmäßigerweise dadurch sichergestellt werden, dass in den Schaltphasen periodisch ein Sicherheitsintervall eingefügt ist, in dem beide Halbleiterschalter sich in einem nicht leitenden Zustand befinden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend erläuterten Anwendungs- bzw. Schaltungstechnologie beschränkt, sondern auch auf andere elektronische Schalter, wie beispielsweise Insulated Gate Bipolartransistoren, Bipolartransistoren, Thyrsitoren anwendbar.

Claims

Vorrichtung zur Ansteuerung eines im Querzweig einer Brückenschaltung angeordneten Elektromotors (1), dessen Motorstrom durch Schaltelemente steuerbar ist, die in einem ersten Brückenzweig durch eine elektromagnetische Schalteinrichtung (23) und in einem zweiten Brückenzweig durch zwei in Reihe geschaltete, in Gegenphase getaktete Halbleiterschalter (12, 13) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenphasige Taktung so erfolgt, dass in Schaltphasen, in welchen der eine der beiden Halbleiterschalter öffnet, der jeweils andere der beiden Halbleiterschalter schließt, und dadurch den, durch die Wirkung der Motorinduktivität aufrecht erhaltenen Stromfluss in einen Freilaufkreis leitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter als Feldeffekttransistoren (12, 13) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoren von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine, im zweiten Brückenzweig am Pluspol der Versorgungsspannung liegende Feldeffekttransistor ein P-Kanal Leistungs-Feldeffekttransistor ist, und der andere, im Brückenzweig am Minuspol der Versorgungsspannung liegende Feldeffekttransistor ein N-Kanal Leistungs-Feldeffekttransistor ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Schalteinrichtung durch ein Umschaltrelais (23) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltrelais durch ein erstes Elektromagnetsystem eines Umpolrelais gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der Anschlussleitungen welche die Brückenschaltung mit einer Energiequelle verbinden die Kontakteinrichtung eines zweiten Elektromagnetsystems des Umpolrelais geschaltet ist, um einen Verpolschutz zu bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schalteinrichtung durch zwei im ersten Brückenzweig in Reihe geschaltete einfache Schaltrelais gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrommotor als Antrieb für einen fremdbetätigten Fensterheber eines Kraftfahrzeuges verwendet wird.
Verfahren zur Steuerung eines im Querzweig einer Brückenschaltung angeordneten, reversierbaren Elektromotors, dessen Drehrichtung durch eine im ersten Brückenzweig angeordnete elektromechanische Schalteinrichtung vorgegeben wird, dessen Motorstrom bei vorgegebener Drehrichtung durch gegenphasige Taktung zweier im zweiten Brückenzweig angeordneten Halbleiterschalter gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des Relais in Schaltphasen erfolgt, in denen die gegenphasige Ansteuerung der beiden Halbleiterschalter unterbrochen ist und beide Halbleiterschalter sich in einem nicht leitenden Zustand befinden.