DE102004022858A1

DE102004022858A1 - System und Verfahren zur Drehzahlregelungs- und Stillstandsschutzkombination für Elektromotoren wie etwa in Motorkühlanwendungen

Info

Publication number: DE102004022858A1
Application number: DE102004022858A
Authority: DE
Inventors: Corneliu London Dragoi; Attila London Simofi-liyes; Andrew London Lakerdas
Original assignee: Siemens VDO Automotive Inc
Current assignee: Continental Tire Canada Inc
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2005-01-13
Also published as: US20040228051A1; US7486489B2; JP2004343998A

Abstract

Ein Drehzahlregelungs- und Stillstandsschutzsystem 10 für einen DC-Bürstenelektromotor enthält einen DC-Bürstenmotor M. Mindestens ein Relais K3 ist zwischen den Motor und einer Stromversorgung geschaltet. Eine Drehzahlmeßschaltung 20 ist so aufgebaut und ausgelegt, daß sie ein eine Drehzahl des Motors anzeigendes Signal erzeugt. Eine Motorregelungs- und -schutzschaltung 116 ist so aufgebaut und ausgelegt, daß sie 1) das Signal von der Drehzahlmeßschaltung und 2) eine Steuersignaleingabe zum Betätigen des mindestens einen Relais zum Steuern des Betriebs des Motors empfängt. Wenn auf der Basis des Signals von der Drehzahlmeßschaltung ein Stillstandszustand bestimmt wird, ist die Motorsteuer- und -schutzschaltung so aufgebaut und ausgelegt, daß sie das mindestens eine Relais steuert, um Strom zum Motor abzuschalten.

Description

Die folgende Anmeldung basiert auf der am 13. Mai 2003 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/470,090 und beansprucht deren Verwertung zu Prioritätszwecken.
ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zum Kombinieren von Drehzahlregelung und Stillstandsschutz für Elektromotoranwendungen mit doppelter und einfacher Drehzahl. Die Drehzahlregelungsumschalttechnik verwendet ein oder zwei elektromagnetische Relais. Bei diesem Verfahren nutzt die Stillstandsschutzimplementierung diese Relais aus, um den Motor in einem blockierten Motorzustand abzuklemmen und sorgt auch unabhängig von einem Fahrzeugcomputer für niedrige Drehzahl und ein weiches Einschalten des Stroms.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein weitverbreitetes Verfahren zum Implementieren einer Doppeldrehzahlregelung für Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich unter Verwendung von Gleichstrom-(DC)-Bürstenmotoren mit einem Permanentmagneten (PM) ist in 1 gezeigt. Die Relais K1 und K2 sind in dem Fahrzeugstromsystem enthalten. K1 wird dazu verwendet, den Motor M für Betrieb bei niedriger Drehzahl über den Reihenwiderstand Rs mit der Stromversorgung zu verbinden. K2 wird dazu verwendet, den Motor für Betrieb bei hoher Drehzahl direkt mit der Stromversorgung zu verbinden. Beide Relais werden vollständig vom Fahrzeugcomputer gesteuert. Das System von 1 sorgt jedoch nicht für einen Stillstandsschutz für den Motor.
Es besteht dementsprechend ein Bedarf nach der Bereitstellung einer Drehzahlregelung, die mit einem Stillstandsschutzmerkmal kombiniert ist, wobei existierende Relais für beide Merkmale verwendet werden.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den oben erwähnten Bedarf zu befriedigen. Gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe erreicht durch Bereitstellen eines Drehzahlregelungs- und Stillstandsschutzsystems für einen DC-Bürstenelektromotor. Das System enthält einen DC-Bürstenmotor. Mindestens ein Relais ist zwischen dem Motor und einer Stromversorgung geschaltet. Eine Drehzahlmeßschaltung ist so aufgebaut und ausgelegt, daß sie ein eine Drehzahl des Motors anzeigendes Signal erzeugt. Eine Motorregelungs- und -schutzsschaltung ist so aufgebaut und ausgelegt, daß sie 1) das Signal von der Drehzahlmeßschaltung und 2) eine Steuersignaleingabe zum Betätigen des mindestens einen Relais zum Regeln des Betriebs des Motors empfängt. Wenn auf der Basis des Signals von der Drehzahlmeßschaltung ein Stillstandszustand bestimmt wird, ist die Motorregelungs- und -schutzschaltung so aufgebaut und ausgelegt, daß sie das mindestens eine Relais steuert, um den Strom zum Motor abzuschalten.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Regeln der Drehzahl und Schützen eines Motors während eines Stillstandszustands die folgenden Schritte: Bereitstellen eines DC-Bürstenmotors mit Permanentmagneten; Bereitstellen mindestens eines zwischen dem Motor und einer Stromversorgung geschalteten Relais; Steuern des mindestens einen Relais zum Betreiben des Motors; Bestimmen einer Drehzahl des Motors und Vergleichen der bestimmten Drehzahl des Motors mit einem Schwellwert und, falls die bestimmte Drehzahl unter dem Schwellwert liegt, Steuern des mindestens einen Relais, um den Strom zum Motor abzuschalten.

Bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung und beigefügten Ansprüche ergeben sich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die alle Teil dieser Patentschrift bilden, weitere Aufgaben, Merkmale und Charakteristiken der vorliegenden Erfindung sowie die Arbeitsverfahren und die Funktionen verwandter Elemente der Struktur, die Kombination von Teilen und die Wirtschaftlichkeit der Herstellung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung läßt sich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstehen. Darin bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Implementierung einer Doppeldrehzahlregelung eines Elektromotors mit zwei Relais.
2 eine schematische Darstellung einer Implementierung einer Doppeldrehzahlreglung kombiniert mit Stillstandsschutz gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der gleichen Relais wie in 1.
3 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Implementierung einer Einzeldrehzahlregelung eines Elektromotors mit einem Relais.
4 eine schematische Darstellung einer Implementierung einer Einzeldrehzahlregelung kombiniert mit Stillstandsschutz gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des gleichen Relais wie in 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Die Erfindung betrifft die Drehzahlregelung und den Stillstandsschutz für Fahrzeuganwendungen unter Verwendung von Gleichstrom-(DC)-Bürstenmotoren mit einem Permanentmagneten (PM).
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein allgemein mit 10 angegebenes kombiniertes Drehzahlregelungs- und Stillstandsschutzsystem gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die beiden Relais K1 und K2 sind Teil des Doppeldrehzahl-mit-Reihenwiderstand-und-Stillstandsschutzmodulelektrischen-Systems 14. Somit ist der Motor M ein Motor mit doppelter Drehzahl und das erste Relais K1 wird zusammen mit einem Reihenwiderstand, Rs zwischen der Stromversorgung und dem Motor M vorgesehen, um den Motor bei einer niedrigen Drehzahl zu betreiben. Das zweite Relais K2 ist zwischen der Stromversorgung und dem Motor M bereitgestellt, um den Motor mit hoher Drehzahl zu betreiben.
Die Motordrehzahlregelungs- und -schutz-(MSCP)schaltung 16 steuert die Relais K1 und K2. Die MSCP-Schaltung 16 weist zwei Eingänge auf: 1) Drehzahlregelungssignal 18 vom Autocomputer und 2) von der Motordrehzahlmeßschaltung 20 bereitgestelltes Motordrehzahlsignal 19. Die Schaltung 20 kann eine beliebige Konfiguration aufweisen und eine beliebige Einrichtung enthalten, die in der Lage ist, die Drehzahl des Bürstenmotors M zu bestimmen.
Das Drehzahlregelungssignal 18 steuert die Funktionalität eines Anwendungsmoduls, das beispielsweise als ein beliebiges der folgenden definiert werden kann: Motorkühlmodul oder HVAC-Modul (Heizung, Belüftung und Klimaanlage). Das Drehzahlregelungssignal 18 weist drei verschiedene Werte auf, die die drei möglichen Befehle für den Motor darstellen: AUS, NIEDRIGE DREHZAHL und HOHE DREHZAHL. Diese drei Befehle können durch drei Spannungsbereiche oder durch drei Tastverhälnisbereiche dargestellt werden, wenn ein PWM-(Impulsbreitenmodulation)-Drehzahlregelungssignal verwendet wird.
Wenn der Motor M läuft, wird ein Motordrehzahlsignal 19 von der Motordrehzahlmeßschaltung 20 erzeugt und zu der Motordrehzahlregelungs- und -schutzschaltung 16 übertragen. Immer wenn die Drehzahl des Motors unter einem kleinsten Einstellwert liegt (Drehzahlschwellwert), wird ein Stillstandszustand als aktiv angesehen. Das entsprechende Motordrehzahlsignal wird von der Motordrehzahlregelungs- und -schutzschaltung 16 erkannt und die Stromversorgung wird vom Motor getrennt (K1 AUS und K2 AUS).
Tabelle 1 zeigt die Betriebsweise und Funktion des Drehzahlregelungsbefehlsignals und des Stillstandszustands-Status (aktiv-EIN oder inaktiv-AUS).
TABELLE 1
Zwei Anfahrsequenzen sind möglich, die dem niedrige-Drehzahl- oder hohe-Drehzahl-Wert des Drehzahlregelungssignals entsprechen:

a. Niedrige-Drehzahl-Befehl: K1 EIN, K2 AUS solange Drehzahlregelungssignal niedrige Drehzahl ist,
b. Hohe-Drehzahl-Befehl: K1 EIN, K2 AUS für eine kurze Drehzahlaufbauzeit,

Es wird angemerkt, daß die Motordrehzahlregelungs- und -schutzschaltung 16 eine allgemeine Elektronikschaltung darstellt und eine beliebige Konfiguration aufweisen kann. Zudem kann die Motordrehzahlmeßschaltung einen allgemeinen Wandler enthalten.
Folgendes sind die Vorteile dieses Systems 10:

A) Die Implementierung einer kombinierten Stillstandsschutzmerkmals- und Drehzahlregelungseinheit verwendet bereits existierende/verwendete elektromagnetische Relais K1 und K2. Dadurch erhält man eine bessere Systemlösung bei geringeren Kosten.
B) Die Möglichkeit, den Strom mit einem geringeren Einschaltstrom zu starten, indem der Motor über den Reihenwiderstand Rs immer mit niedriger Drehzahl gestartet wird. Wenn der Autocomputer einen Motorstart mit hoher Drehzahl anfordern würde, würde die MSCP 16 zu Anfang den Motor M anweisen, mit niedriger Drehzahl zu laufen (Motor über Rs mit der Stromversorgung verbunden) und dann zu hoher Drehzahl umschalten (Motor direkt mit der Stromversorgung verbunden).

Das Konzept der Erfindung läßt sich auch auf Anwendungen mit einem Motor mit einer Drehzahl anwenden. 3 zeigt eine herkömmliche Konfiguration, die häufig für Anwendungen mit einer Drehzahl verwendet wird. 4 zeigt ein kombiniertes Einzeldrehzahl- und Stillstandsschutzsystem 100 gemäß den Grundlagen der Erfindung. Ähnlich 2 ist das elektromagnetische Relais K3 in dem elektrischen Einzeldrehzahl- und Stillstandsschutzsmodul-System 114 enthalten. Das Relais K3 wird von der Motorregelungs- und -schutz-(MCP)-Schaltung 116 gesteuert. Die MCP 116 weist ebenfalls zwei Eingänge auf, ein Ein-/Aus-Steuersignal 118 und ein Motordrehzahlsignal 19, bereitgestellt von der Motordrehzahlmeßschaltung 20. Die Schaltung 116 funktioniert ähnlich zu der oben bezüglich der Ausführungsform von 2 beschriebenen, außer daß sie nur bei einer Drehzahl arbeitet.
Folgendes sind die Merkmale der dargestellten Ausführungsformen:

1. Die Implementierung der Drehzahlregelungsschaltung mit den elektromagnetischen Relais innerhalb des elektrischen Anwendungsmodulsystems, was die Steuerung dieser Relais durch die in den 2 bzw. 4 gezeigte Motordrehzahlregelungs- und -schutz- und Motorsteuerungs- und -schutzschaltung gestattet.
2. Stillstandsschutz in Kombination mit einigen (oder allen) der folgenden Drehzahlregelungsverfahren: Reihenwiderstand/Reihenwiderstände, Dritte-Bürste-Verfahren und Doppel-Kommutator-Doppeldrehzahl-Systemlösung.
3. Die Implementierung des Stillstandsschutzmerkmals unter Verwendung des oder der von der Drehzahlregelungsschaltung verwendeten elektromagnetischen Relais.
4. Hochfahrsequenz für hohe-Drehzahl-Befehl (niedrige Drehzahl für eine kurze Zeit, gefolgt von hoher Drehzahl), was niedrigere Motoreinschaltströme gestattet, in den 2 und 4 gezeigt.

Die obigen bevorzugten Ausführungsformen sind gezeigt und beschrieben worden, um die strukturellen und funktionalen Grundlagen der vorliegenden Erfindung sowie die Verfahren der Verwendung der bevorzugten Ausführungsformen zu erläutern, und sind Änderungen unterworfen, ohne daß von diesen Grundlagen abgewichen wird. Die vorliegende Erfindung beinhaltet deshalb alle Modifikationen, die der Gedanke der folgenden Ansprüche einschließt.
Abkürzungen:

M: elektrischer Motor
Rs: Reihenwiderstand für niedrige Motordrehzahl
K1: elektromagnetisches Relais für Betrieb bei
: niedriger Drehzahl
K2: elektromagnetisches Relais für Betrieb bei
: hoher Drehzahl
K3: elektromagnetisches Relais für Motorstart/-
: stopp
PWM: Impulsbreitenmodulation
MCP: Motorregelung und -schutz
MSCP: Motordrehzahlregelung und -schutz
PM: Permanentmagnet
DC: Gleichstrom

Claims

Drehzahlregelungs- und Stillstandsschutzsystem für einen DC-Bürstenelektromotor, wobei das System folgendes umfaßt: einen DC-Bürstenmotor, mindestens ein zwischen dem Motor und einer Stromversorgung geschaltetes Relais, eine Drehzahlmeßschaltung, die so aufgebaut und ausgelegt ist, daß sie ein eine Drehzahl des Motors anzeigendes Signal erzeugt, und eine Motorregelungs- und -schutzschaltung, die so aufgebaut und ausgelegt ist, daß sie 1) das Signal von der Drehzahlmeßschaltung und 2) eine Steuersignaleingabe zum Betätigen des mindestens einen Relais zum Steuern des Betriebs des Motors empfängt, wobei, wenn auf der Basis des Signals von der Drehzahlmeßschaltung ein Stillstandszustand bestimmt wird, die Motorregelungs- und -schutzschaltung so aufgebaut und ausgelegt ist, daß sie das mindestens eine Relais steuert, um den Strom zum Motor abzuschalten.
System nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Motor mit einer Drehzahl ist und ein Relais vorgesehen ist, wobei die Motorregelungs- und -schutzschaltung so aufgebaut und ausgelegt ist, daß sie die Steuersignaleingabe in Form eines Ein-/Aus-Signals empfängt, um das Relais und somit den Betrieb des Motors zu steuern.
System nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Motor mit doppelter Drehzahl ist und ein erstes Relais zusammen mit einem Reihenwiderstand zum Betreiben des Motors bei einer niedrigen Drehzahl und ein zweites Relais zum Betreiben des Motors mit einer über der niedrigen Drehzahl liegenden Drehzahl bereitgestellt ist, wobei die Motorregelungs- und -schutzschaltung so aufgebaut und ausgelegt ist, daß sie die Steuersignaleingabe in Form eines Drehzahlregelungssignals empfängt, um das erste und zweite Relais selektiv zu aktivieren, um die Drehzahl des Motors zu regeln, und das erste und zweite Relais zu deaktivieren, um Strom zum Motor abzuschalten.
System nach Anspruch 1, wobei der Motor, das mindestens eine Relais, die Drehzahlmeßschaltung und die Motorsteuer- und -schutzschaltung Teil eines einzigen Moduls sind.
System nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Permanentmagnetmotor ist.
Drehzahlregelungs- und Stillstandsschutzsystem für einen DC-Bürstenelektromotor, wobei das System folgendes umfaßt: einen DC-Bürstenmotor, mindestens ein zwischen dem Motor und einer Stromversorgung geschaltetes Relais, Mittel zum Erzeugen eines eine Drehzahl des Motors anzeigenden Signals und Mittel zum Regeln der Drehzahl und Schützen des Motors, das so aufgebaut und ausgelegt ist, daß es 1) das Signal von der Drehzahlmeßschaltung und 2) einen Steuersignaleingang zum Betätigen des mindestens eines Relais zum Steuern des Betriebs des Motors empfängt, wobei, wenn ein Stillstandsszustand auf der Basis des Signals von dem Mittel zum Erzeugen eines eine Drehzahl des Motors anzeigenden Signals bestimmt wird, das Mittel zum Regeln der Drehzahl und Schützen des Motors das mindestens eine Relais steuert, um Strom zum Motor abzuschalten.
System nach Anspruch 6, wobei der Motor ein Motor mit einer Drehzahl ist und ein Relais bereitgestellt wird, wobei das Mittel zum Regeln der Drehzahl und Schützen des Motors so aufgebaut und ausgelegt ist, daß es die Steuersignaleingabe in Form eines Ein-/Aus-Signals empfängt, um das Relais und somit den Betrieb des Motors zu steuern.
System nach Anspruch 6, wobei der Motor ein Motor mit doppelter Drehzahl ist und ein erstes Relais zusammen mit einem Reihenwiderstand zum Betreiben des Motors bei einer niedrigen Drehzahl und ein zweites Relais zum Betreiben des Motors mit einer über der niedrigen Drehzahl liegenden Drehzahl bereitgestellt ist, wobei das Mittel zum Regeln der Drehzahl und Schützen des Motors so aufgebaut und ausgelegt ist, daß es die Steuersignaleingabe in Form eines Drehzahlregelungssignals empfängt, um das erste und zweite Relais selektiv zu aktivieren, um die Drehzahl des Motors zu regeln, und das erste und zweite Relais zu deaktivieren, um Strom zum Motor abzuschalten.
System nach Anspruch 6, wobei der Motor, das mindestens eine Relais, das Mittel zum Erzeugen eines Signals und das Mittel zum Regeln der Drehzahl und Schützen des Motors Teil eines einzigen Moduls sind.
Verfahren zum Regeln der Drehzahl und Schützen während eines Stillstandszustands, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Bereitstellen eines DC-Bürstenmotors mit einem Permanentmagneten, Bereitstellen mindestens eines zwischen dem Motor und einer Stromversorgung geschalteten Relais, Steuern des mindestens einen Relais zum Betreiben des Motors, Bestimmen einer Drehzahl des Motors und Vergleichen der bestimmten Drehzahl des Motors mit einem Schwellwert und, wenn die bestimmte Drehzahl unter dem Schwellwert liegt, Steuern des mindestens einen Relais, um Strom zum Motor abzuschalten.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Motor ein Motor mit einer Drehzahl ist und ein Relais bereitgestellt ist, wobei die Schritte des Steuerns des Relais das Senden eines Ein-/Aus-Signals zum Relais beinhalten.
System nach Anspruch 10, wobei der Motor ein Motor mit doppelter Drehzahl ist und ein erstes Relais zusammen mit einem Reihenwiderstand zum Betreiben des Motors bei einer niedrigen Drehzahl und ein zweites Relais zum Betreiben des Motors mit einer über der niedrigen Drehzahl liegenden Drehzahl bereitgestellt ist, wobei der Schritt des Steuerns des mindestens einen Relais zum Betreiben des Motors das selektive Aktivieren des ersten und zweiten Relais zum Regeln der Drehzahl des Motors und der Schritt des Steuerns des mindestens einen Relais zum Abschalten von Strom zum Motor das Deaktivieren sowohl des ersten als auch des zweiten Relais beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zum Betreiben des Motors mit einer niedrigen Drehzahl das erste Relais aktiviert wird und das zweite Relais deaktiviert wird und zum Betreiben des Motors mit einer über der niedrigen Drehzahl liegenden Drehzahl das erste Relais deaktiviert und das zweite Relais aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Steuerns des mindestens einen Relais zum Steuern des Motors das Betreiben des Motors mit der niedrigen Drehzahl für einen gewissen Zeitraum und dann Betreiben des Motors mit einer über der niedrigen Drehzahl liegenden Drehzahl beinhaltet, um ein geringeres Einströmen von Motorströmen zu gestatten.