DE102005011578A1

DE102005011578A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Stromaufnahme eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE102005011578A1
Application number: DE102005011578A
Authority: DE
Inventors: Harald Eisenhardt; Bernhard Rasch; Andreas MÜLLER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-21
Also published as: WO2006097390A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Stromaufnahme eines aus einem Gleichspannungsnetz gespeisten Gleichstrommotors, insbesondere eines aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges gespeisten Gebläsemotors, wobei die maximale Stromaufnahme des Motors an seine Stromaufnahme im Normalbetrieb angeglichen wird entsprechend einer Kennlinie mit zwei linearen Abschnitten (12, 16) oberhalb der Kennlinie für die Stromaufnahme des Motors im Normalbetrieb. Hierbei verläuft ein erster Abschnitt (12) der Kennlinie im Anlaufbereich des Motors (18) deutlich flacher, vorzugsweise im Wesentlichen waagerecht. Ein zweiter, ebenfalls linearer Abschnitt (16) und gegebenenfalls weitere lineare Abschnitte schließen sich unmittelbar an den vorausgehenden Abschnitt an und treffen bei der Nennspannung des Motors mit der Kennlinie für dessen Normalbetrieb zusammen. Die erfindungsgemäße Strombegrenzung lässt sich mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln realisieren ohne größeren Kostenaufwand, wie er beispielsweise bei Verwendung eines Mikrocontrollers entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Stromaufnahme eines Gleichstrommotors, insbesondere eines aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges gespeisten Gebläsemotors. Derartige Motoren werden beispielsweise in Klimaanlagen zur Luftförderung ins Fahrzeuginnere eingesetzt, wobei zur Geschwindigkeitsregelung ein elektronisches Steuergerät benutzt wird. Zum Schutz des Gleichstrommotors gegen Überlastung und Überhitzung wird dabei in bekannter Weise der vom Motor aufgenommene Strom begrenzt in Form einer linearen Funktion der am Motor anliegenden Spannung. Zur Sicherstellung des Motoranlaufes wird ein Stromoffset bei einer Motorspannung von 0 V generiert, bei Nennspannung entspricht die Höhe des Begrenzungsstromes der Stromaufnahme des Gleichstrommotors im Normalbetrieb. Eine entsprechende Strombegrenzungskennlinie gemäß Stand der Technik ist in 1 mit einer strichpunktierten Linie angedeutet.

Aus der DE 34 33 538 C ist eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung in einem Leistungstransistor bekannt. Diese Schaltungsanordnung weist zusätzlich zu dem gegen Überlastung zu schützenden Leistungstransistor ein weiteres Schaltelement, beispielsweise einen weiteren Transistor oder einen Operationsverstärker auf, welcher bei unzulässigen hohen Strömen über den Leistungstransistor leitend wird und die Steuerstrecke des Leistungstransistors zur Reduzierung des Stromes über dessen Hauptelektroden überbrückt. Eine derartige Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung in einem Leistungsschalter liefert jedoch keine Hinweise zur Begrenzung des Laststromes in einem Gleichstrommotor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Stromaufnahme eines Gleichstrommotors anzugeben, welche sicherstellen, dass der Motor einerseits ein ausreichend hohes Anlaufmoment erreicht, andererseits aber insbesondere bei kleinen bis zu mittleren Motorspannungen die Leistungsaufnahme und damit die Erwärmung des Motors begrenzt werden. Besonders wichtig ist eine derartige Strombegrenzung in Fehlerfällen, beispielsweise bei einem schwergängigen oder blockierten Motor.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 8, wobei sichergestellt ist, dass beim Start des Motors ein ausreichend hoher Anlaufstrom zur Verfügung steht, welcher jedoch in der weiteren Anlaufphase nach dem Start nicht oder nur in geringem Maße ansteigt und so die Leistungsaufnahme des Motors auf das notwendige Maß begrenzt. Zweckmäßigerweise verläuft ein erster linearer Abschnitt der Strombegrenzungslinie waagerecht und stellt hierbei einen Startstrom zur Verfügung, der vorzugsweise etwa dem doppelten Wert der Stromaufnahme des Motors im Normalbetrieb entspricht, um Startprobleme durch schwergängige Lager, festsitzende Dichtungen, Trägheitsmomente der angeschlossenen Last und dergleichen sichern zu überwinden.

In der Regel ist es ausreichend, wenn die Kennlinie der Strombegrenzung in zwei lineare Abschnitte unterteilt wird, wobei der zweite Abschnitt mit einem Knick direkt an den ersten Abschnitt angrenzt und bei der Nennspannung des Motors etwa den Wert der Stromaufnahme des Motors im Normalbetrieb erreicht. In einem 12 V-Gleichspannungs-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges endet der erste, waagerechte Abschnitt der Strombegrenzung vorzugsweise bei einem Mittelwert der anliegenden Gleichspannung von etwa 2 bis 3 V und geht dann mit einem Knick in einen ansteigenden linearen Abschnitt über.

Zur Bereitstellung der Begrenzungskennlinie für die Stromaufnahme des Motors ist es zweckmäßig, wenn einem Regelkreis für die Spannungsversorgung des Motors ein Regelkreis zur Begrenzung des Motorstromes dominierend überlagert wird, wobei der in Abhängigkeit von der Motorspannung generierte Sollwert des Stromes mit dem jeweiligen Istwert des Motorstromes verglichen und bei Überschreitung des Sollwertes die treibende Spannung für ein Stellglied im Motorstromkreis reduziert wird.

Eine besonders vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Stromaufnahme eines aus einem Gleichspannungsnetz gespeisten Gleichstrommotors ergibt sich, wenn das Stellglied für seinen Speisestrom einerseits durch einen Spannungsregler in Abhängigkeit von der Differenz eines Istwertes und eines Sollwertes der Motorspannung und andererseits hierzu überlagert durch einen Stromregler steuerbar ist, dessen Ausgangsignal durch die vorgegebene Strombegrenzungs-Kennlinie geprägt ist. Hierzu wird zweckmäßigerweise dem Stromregler ein Sollwertgeber für den Motorstrom vorgeschaltet, der einen entsprechend der Motorspannung begrenzten Sollwert als Referenz zum Istwert des Motorstromes an den Stromregler liefert. Dabei ist der Ausgang des Stromreglers mit dem Ausgang des Spannungsreglers über ein Gleichrichterelement derart gekoppelt, dass die von dem Spannungsregler gelieferte Steuerspannung für das Stellglied im Motorstromkreis über den Ausgang des Stromreglers im Sinne einer Begrenzung des Motorstromes herabgesetzt wird.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.

Die Abbildungen zeigen in
1 ein Diagramm der Stromaufnahme eines Gleichstrommotors im Normalbetrieb als Funktion der Versorgungsspannung sowie eine Kennlinie entsprechend der erfindungsgemäßen Strom- und Leistungsbegrenzung des Motors, und in
2 eine Schaltungsanordnung zur Überwachung und Begrenzung der Stromaufnahme eines aus einem Gleichspannungsnetz gespeisten Motors.
In 1 ist in schematisierter Darstellung der statische Normalverlauf des Motorstromes I_M bei sich drehendem Rotor in Abhängigkeit von der am Motor anliegenden Spannung U_M als Kurve 10 dargestellt. Da der Rotor sich jedoch typischerweise lastabhängig erst ab einer Spannung von etwa 0,5 V bis 1 V zu drehen beginnt, ist die Kurve 10 nicht bis zur Spannung von 0 V durchgezeichnet sondern bei 0,5 V abgebrochen. Die Abbildung zeigt, dass der Motor beim Lauf mit geringer Spannung bereits einen Strom von etwa 3 A aufnimmt, welcher bis etwa zur Hälfte der Nennspannung zunächst nur langsam und danach deutlich schneller ansteigt.
Die Strombegrenzung ist nun derart gewählt, dass ein Anlaufstrom, der einen sicheren Motoranlauf garantiert, etwa in Höhe des doppelten normalen Stromes zugelassen und entsprechend dem ersten waagerechten Abschnitt 12 der Begrenzungslinie bis zu einem Spannungswert von etwa 2,5 V konstant gehalten wird. Bei einer ausreichend bemessenen Anlaufstromreserve bleibt hierdurch die mögliche Leistungsaufnahme des Motors in diesem Bereich verhältnismäßig gering. Bei einer Motorspannung von 2,5 V weist die Kennlinie einen Knick 14 auf und verläuft entsprechend dem zweiten Abschnitt 16 linear weiter mit einer solchen Steigung, dass sie bei Erreichen der Nennspannung des Motors, im Ausführungsbeispiel bei 12 V, die Kennlinie für die Stromaufnahme des Motors im Normalbetrieb schneidet und somit die maximale Stromaufnahme des Motors auf etwa 26 A begrenzt. Diese Kennlinie für die Begrenzung der Stromaufnahme des Motors ist mit verhältnismäßig geringem schaltungstechnischem Aufwand unter Verzicht auf integrierte Schaltelemente dem Kennlinienverlauf im Normalbetrieb mit der notwendigen Sicherheitsreserve gut anpassbar. Die zulässige Verlustleistung ist gegenüber der strichpunktiert in 1 dargestellten herkömmlichen Strombegrenzung deutlich verringert.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Realisierung der vorgeschlagenen Strombegrenzung eines Gleichstrommotors 18, welcher im Ausführungsbeispiel als Gebläselüfter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist. Der Motor 18 liegt mit einem Anschluss 20 am Pluspol 22 eines Gleichspannungsnetzes, im Ausführungsbeispiel am Pluspol des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges mit der Batteriespannung U_B. Der Minuspol des Gleichspannungsnetzes ist mit 24 bezeichnet. Zwischen den Polen 22 und 24 des Gleichspannungsnetzes liegen in Reihe mit dem Motor 18 an dessen Anschluss 26 ein Stellglied 28 für den Motorstrom I_M und ein Shunt 30 zur Erfassung der Größe des Motorstromes.
Die am Motor 18 anliegende Spannung U_M wird an dessen Anschlüssen 20, 26 abgegriffen und einem Differenzverstärker 32 zugeführt, an dessen Ausgang ein der Motorspannung U_M proportionaler Istwert U_ist ansteht, welcher einerseits einem Anschluss eines Spannungsreglers 34 und andererseits einem Sollwertgeber 36 zugeführt wird, in dem die Kennlinie für die Begrenzung des Motorstromes gemäß 1 abgebidet ist. Am zweiten Eingang des Spannungsreglers 34 liegt der lastabhängig veränderbare Sollwert U_soll, der Ausgang des Spannungsreglers 34 ist mit dem Eingang des Stellgliedes 28 über eine Leitung 38 verbunden.
Der den Grenzwert I_soll des Motorstromes liefernde Ausgang des Sollwertgebers 36 liegt an einem Eingang eines Stromreglers 44, dessen anderer Eingang mit dem von einem Shunt 30 erzeugten Referenzwert I_ist für den tatsächlich fließenden Motorstrom I_M beaufschlagt ist. Der Ausgang des Stromreglers 44 ist mit der Kathode eine Diode 40 verbunden, deren Anode an einen Verbindungspunkt 42 in der Leitung 38 angeschlossen ist.
Die Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen:
Entsprechend der dem Gleichstrommotor 18 abgeforderten Drehzahl und der angeschlossenen Last liegt am einen Eingang des Spannungsreglers 34 die Sollspannung U_soll, der andere Eingang des Spannungsreglers 34 erhält über den Differenzverstärker 32 einen der Motorspannung U_M entsprechenden Istwert U_ist, woraus der Spannungsregler 34 eine Steuerspannung für das Stellglied 28 an seinem Ausgang bereitstellt. Diese Steuerspannung muss entsprechend den Erläuterungen zu 1 begrenzt werden, um beispielsweise bei einem Blockieren oder einer sonstigen Überlastung des Motors die auftretende Verlustleistung zu begrenzen. Hierzu wird die von dem Differenzverstärker 32 gelieferte Referenzspannung U_ist weiterhin dem Sollwertgeber 36 zugeführt, in dem die Strombegrenzungskennlinie gemäß 1 abgebildet ist. Am Ausgang des Sollwertgebers 36 erscheint daher eine dem Sollwert I_soll des Stromes entsprechende Referenzspannung, welche zunächst im Bereich des ersten Abschnittes 12 der Begrenzungskennlinie konstant bleibt und nach Überschreiten einer vorgegebenen Eingangsspannung U_ist ab dem Knick 14 linear ansteigt.
Die Ausgangsspannung des Sollwertgebers 36 liegt als Referenzwert I_soll am einen Eingang des Stromreglers 44, dessen anderer Eingang mit einem Referenzwert I_ist entsprechend der jeweiligen Höhe des Motorstromes I_M beaufschlagt wird. Übersteigt der Referenzwert I_ist den vorgegebenen Sollwert I_soll, so fällt die Spannung am Ausgang des Stromreglers 44 unter den Wert der Ausgangsspannung des Spannungsreglers 34 und es fließt ein Ausgleichsstrom vom Verbindungspunkt 42 in der Leitung 38 zum Stromregler 44, wodurch die Steuerspannung für das Stellglied 28 herabgesetzt und somit der Motorstrom I_M auf den durch die Kennlinie gemäß 1 vorgegebenen Begrenzungswert reduziert wird.
Die Schaltungsanordnung gemäß 2 bildet also einen Regelkreis für die Motorspannung, dem ein Regelkreis zur Strombegrenzung dominierend überlagert ist. Hierbei wird die Motorspannung U_M am Differenzverstärker 32 differentiell erfasst zur Bildung des Spannungssignals U_ist, aus dem einerseits in bekannter Weise durch Vergleich mit einem Sollwert U_soll eine Steuerspannung für das Stellglied 28 erzeugt wird. Weiterhin wird durch den Sollwertgeber 36 ebenfalls in Abhängigkeit von dem Spannungssignal U_ist die Begrenzungskennlinie für den Motorstrom I_M mit dem waagerechten Startabschnitt 12 und dem linear steigenden Verlauf 16 generiert. Durch den waagerechten Abschnitt 12 mit einem verhältnismäßig hohen Startwert ist einerseits ein sicherer Motorstart mit hohem Drehmoment gewährleistet, andererseits wird ein verbesserter Motorschutz erreicht, weil sich der Grenzwert in dem Abschnitt 12 nicht erhöht. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann daher mit geringem Aufwand und in sehr zuverlässiger Weise die Verlustleistungsbegrenzung an dem Gleichstrommotor 18 sichergestellt werden, indem bei Überschreiten des zulässigen Grenzwertes des Motorstromes I_M mittels des Stromkreises über die Diode 40 der Eingangswert des Stellgliedes 28 und somit der Motorstrom I_M auf den laut Kennlinie zugelassenen Wert begrenzt wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß 2 eignet sich sowohl für eine lineare Regelung des Motorstromes I_M wie auch für eine Regelung mit Pulsweitenmodulation. Im letzteren Fall besteht das Stellglied 28 aus einem PWM-Generator und einer Endstufe, vorzugsweise in Form eines einzelnen oder mehrerer parallel geschalteter Halbleiterschalter.

Claims

Verfahren zur Begrenzung der Stromaufnahme eines Gleichstrommotors, insbesondere eines aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges gespeisten Gebläsemotors, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Stromaufnahme des Motors (18) an seine Stromaufnahme im Normalbetrieb (10) angeglichen wird entsprechend einer Kennlinie mit wenigstens zwei linearen Abschnitten (12, 16) oberhalb der Stromaufnahme im Normalbetrieb, wobei ein erster Abschnitt (12) der Kennlinie im Anlaufbereich des Motors (18) deutlich flacher verläuft als zumindest einer der folgenden Abschnitte (16).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste lineare Abschnitt (12) der Kennlinie der Strombegrenzung im Anlaufbereich des Motors (18) im Wesentlichen waagerecht verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter linearer Abschnitt (16) der Kennlinie der Strombegrenzung bei Erreichen einer Motorspannung (U_M) entsprechend der Nennspannung des Gleichstrommotors(18) etwa den Wert der Stromaufnahme des Motors (18) im Normalbetrieb aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite lineare Abschnitt (16) der Kennlinie der Strombegrenzung des Motors (18) mit einem Knick (14) direkt an den ersten linearen Abschnitt (12) anschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem 12V-Gleichspannungs-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges der erste lineare Abschnitt (12) der Strombegrenzung des Motors (18) bis zu einem Mittelwert der anliegenden Gleichspannung (U_M) von 1 bis 5 V, vorzugsweise von 2 bis 3 V, reicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Startwert des ersten linearen Abschnittes (12) der Kennlinie der Stromaufnahme beim Anlauf des Motors (18) dem 1,5 bis 3-fachen Wert, vorzugsweise etwa dem doppelten Wert der Stromaufnahme des Motors im Normalbetrieb entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem Regelkreis (28, 34, 38) für die Spannungsversorgung des Elektromotors (18) ein Regelkreis (36, 44) zur Begrenzung des Motorstromes (I_M) dominierend überlagert ist, wobei der in Abhängigkeit von der Motorspannung (U_M) entsprechend einer vorgegebenen Begrenzungs-Kennlinie (12, 16) generierte Sollwert (I_soll) mit dem jeweiligen Istwert (I_ist) des Motorstromes verglichen und bei Überschreitung des Sollwertes der Motorstrom (I_M) reduziert wird.
Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Stromaufnahme eines aus einem Gleichspannungsnetz gespeisten Gleichstrommotors, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellglied (28) für den Motorstrom (I_M) einerseits durch einen Spannungsregler (34) in Abhängigkeit von der Differenz eines Istwertes (I_ist) der am Motor (18) anliegenden Spannung und andererseits diesem überlagert durch einen Stromregelkreis (36, 44) entsprechend einer zur jeweiligen Höhe der Motorspannung (U_M) vorgegebenen Strombegrenzungs-Kennlinie (12, 16) steuerbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass einem Stromregler (44) ein Sollwertgeber (36) für den Motorstrom (I_M) vorgeschaltet ist, der einen entsprechend der Motorspannung (U_M) begrenzten Sollwert (I_soll) als Referenz zum Istwert (I_ist) des Motorstromes an den Stromregler (44) liefert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Stromreglers (44) über einen Gleichrichter (40) mit dem Ausgang des Spannungsreglers (34) gekoppelt ist und entsprechend dem Vergleich von Istwert (I_ist) und Sollwert (I_soll) des Motorstromes (I_M) die Steuerspannung (U_St) am Stellglied (28) des Stromkreises bestimmt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal für den Istwert (I_ist) des Motorstromes als Spannungsabfall an einem Shunt (30) im Motorstromkreis abgegriffen und dem Stromregler (44) als Vergleichswert zum Grenzstrom-Sollwert (I_soll) zugeführt ist.