DE102005025127A1

DE102005025127A1 - Pulsweitenmodulation mit Gleichspannungsüberlagerung

Info

Publication number: DE102005025127A1
Application number: DE200510025127
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das es ermöglicht, die Spannung stromintensiver Gleichstromverbraucher mit minimaler Verlustleistung und somit hohem Wirkungsgrad zu stellen. Durch das Verfahren der Überlagerung einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung mit einer betragsmäßig niedrigeren Gleichspannung wird ein Lücken des Verbraucherstromes auch ohne Einsatz von teuren Siebgliedern verhindert und der Betrieb von empfindlichen Geräten und Schaltungen, insbesondere von elektronisch kommutierten Gleichspannungslüftermotoren, ermöglicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Der Inhalt der Erfindung bezieht sich auf eine effizientere Steuerung von Gleichstromverbrauchern mittels PWM bei Vorhandensein mehrerer Versorgungsspannungen.

Steuerungen um die Drehzahl von DC-Motoren und anderen Gleichstromverbrauchern zu beeinflussen sind bekannt. Hierbei können bisher zwei große Lösungswege beschritten werden:
Erstens Steuerung mittels Einsatz von Linearreglern. Auf diesem Prinzip beruhen beispielsweise die verbreiteten Spannungsregler der 78XX Reihe sowie die meisten Applikationen, die mit wenig Aufwand Spannungen stellen sollen (Beispiel hierzu Patentenschrift DE 3140179 C2 „Schaltung zur lastunabhängigen Drehzahlsteuerung").

Zweitens die Verwendung eines mit einem Pulsweitenmodulation-Signal gesteuerten Schalters, ein Verfahren, welches sich mehr und mehr durchsetzt (Offenlegungsschrift DE 19548270 A1 „Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung einer Last", Gebrauchsmuster DE 9421897 U1 „Steuerschaltung für einen Gebläsemotor").

Beim Linearsteller besteht das Problem der beträchtlichen Verlustleistung, da das Leistungsstellglied als Vorwiderstand des eigentlichen Verbrauchers auftritt. Die Qualität des Ausgangssignales, welches den angeschlossenen Motor treibt, ist sehr gut und durch geringe Welligkeit gekennzeichnet.

Pulsweitenmodulation-Motorsteuerungen bestechen durch Ihren hohen Wirkungsgrad, verursachen generell aber elektromagnetische Störungen, die sich auf den Versorgungsleitungen und über Luft im Raum ausbreiten und andere Geräte stören können. Um ein Lücken des Stromes durch den Verbraucher zu verhindern und die Ausgangsspannung zu glätten, werden Induktivitäten und Kapazitäten eingesetzt. Zum Erzielen einer hinreichende Glättung sind oft große und teure Induktivitäten nötig, da diese für den Laststrom ausgelegt sein müssen. Bei ungenügender Glättung kann ein ordnungsgemäßer Betrieb von Gleichspannnungsmotoren und empfindlichen elektronischen Baugruppen nicht sichergestellt werden. Zudem kann es durch lückenden Strom, welcher entsprechende ruckartige Kräfte im Motor verursacht, zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Motors kommen.

Elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren benötigen für Ihren einwandfreien Betrieb ebenfalls einen nichtlückenden Strom, da neben den entsprechenden motorinternen Stellgliedern auch deren Elektronik nichtlückend versorgt werden muss. Lückt der Versorgungsstrom, so bricht die Versorgungsspannung periodisch auf 0V zusammen und die Ablaufsteuerung, die die Drehung des Rotors initiiert, ist nicht arbeitsfähig. Aus diesem Grund werden elektronisch kommutierte DC-Motoren meistens mit Linearstellern betrieben.

Umfang der Erfindung

Die Erfindung soll es bei Vorhandensein von mindestens zwei verschiedenen Versorgungsspannungen erlauben, die Drehzahl von Gleichstrommotoren, insbesondere von elektronisch kommutierten Lüftermotoren, mittels eines pulsweitenmodulierten Signals über ein Leistungsschaltelement die betragsmäßig höhere der beiden Spannungen zu stellen und einen nichtlückenden Betrieb dadurch zu erreichen, das dieser pulsweitenmodulierten Spannung die Gleichspannung der zweiten, betragsmäßig niedrigeren Versorgungsspannung überlagert (superpositioniert) wird.

1 zeigt eine Prinzipschaltung. Wie 1 zeigt, wird die Überlagerung durch Einsatz einer Halbleiterdiode (D1-1) erreicht, für welche auch ein Schottky-Typ Anwendung finden kann.
Die am Motor, als Sinnbild für jeden beliebigen Gleichstromverbraucher, anliegende resultierende Spannung lässt sich somit zwischen den beiden Versorgungsspannungen variieren. Der Wirkungsgrad dieser Ansteuerungsart geht gegen 100% da die Verluste in den beiden Schaltern durch die Verwendung modernen Halbleiter auf ein Minimum begrenzt werden. Da die Verlustleistung der Leistungshalbleiter (T1-1; T1-2) im Gegensatz zur Linearsteuerung sehr klein ist, kann auf kleine, platzsparende Gehäuseformen zurückgegriffen werden. Zur Glättung der Ausgangsspannung sind oftmals keine Induktivitäten nötig, was Platz und Geld spart. Sowohl DC-Motoren mit Kommutatoren in Form von Bürsten als auch elektronisch kommutierte Motoren können mit dieser Steuerung sicher betrieben werden. Darüber hinaus lässt sich mit Hilfe der Pulsweitenmodulation mit Gleichspannungsüberlagerung auch die Versorgungsspannung empfindlicher elektronischer Baugruppen und Komponenten variieren. Der Anteil an Oberwellen ist geringer als bei reiner Steuerung durch Pulsweitenmodulation und kann durch Einfügung von Siebgliedern (R-C Siebglieder; L-C Siebglieder) noch verbessert werden. Die Signalverläufe zeigt 5.
Das Signal S2 kann nach 4 generiert werden.
Nach 2 kann das Signal S2 entfallen, wenn die Ausgangsspannung lediglich zwischen den Versorgungsspannungen variierbar sein soll. Ein weiteres Leistungsschaltelement kann dann entfallen.
Bei Vorhandensein von mehr als 2 betragsmäßig unterschiedlichen Versorgungsspannungen lässt sich mit Hilfe einer entsprechenden Ansteuerschaltung eine kaskadenartige Versorgungsstruktur realisieren. Der nunmehr jeweils betragsmäßig höheren Versorgungsspannung, pulsweitenmoduliert, wird die jeweils betragsmäßig kleinere Spannung überlagert. Die Kaskadierung kann analog 3 erfolgen. Die Vorteile dieser Anordnung im Vergleich zur Anordnung mit nur zwei Versorgungsspannungen liegt insbesondere darin, das bei günstiger Verteilung der Spannungen eine noch wesentlich geringere Welligkeit erzielt wird. Zudem sind nun auch extrem weite Spannungsbereiche abzudecken. Die betragsmäßige Höhe der Versorgungsspannungen sollte derart gestaltet sein, das die jeweils betragsmäßig geringere Spannung den halben Betrag der jeweils betragsmäßig höheren Spannung ausmacht, oder weniger. Im kritischen Bereich um 0 Volt sollte zu einer Linearregelung übergegangen werden, die dann allerdings nur sehr wenig Verlustleistung freisetzt.

Claims

Verfahren zur Einstellung der Spannung von Gleichstromverbrauchern, im Folgenden Pulsweitenmodulation mit Gleichspannungsüberlagerung genannt, ist dadurch gekennzeichnet, das einer pulsweitenmodulierten, betragsmäßig höheren Versorgungsspannung U1, eine betragsmäßig kleinere Versorgungsspannung U2 derart überlagert wird, das die resultierende Verbraucherspannung nicht wesentlich unter die betragsmäßig geringere Versorgungsspannung U2 fällt.
Die Pulsweitenmodulation mit Gleichspannungsüberlagerung nach Anspruch 1 ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen benötigt, diese werden im Folgenden U1 und U2, beziehungsweise Un genannt.
Verfahren nach Anspruch 1 insbesondere dadurch gekennzeichnet, das der Mittelwert der Ausgangsspannung Ua zwischen den Spannungen U1 und U2 nach Anspruch 8 eingestellt werden kann. Weiterhin ist gänzliches Abschalten der Verbraucherspannung durch Öffnen beider Schaltelemente möglich.
Die Vorrichtung um das Verfahren nach Anspruch 1 zu ermöglichen, ist dadurch gekennzeichnet, das sie mindestens 2 Schaltglieder enthält. 1 zeigt ein Realisierungsbeispiel mit den Leistungshalbleitern T1-1 und T1-2 als Schaltelemente. Das Schaltzeichen des Motors repräsentiert alle angeschlossenen Gleichstromverbraucher.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das die Ausgangsspannung, im Folgenden Ua genannt, eine Last versorgt, die ein beliebiger Gleichstromverbraucher sein kann. In 1 bis 4 ist dieser Verbraucher in Form des Motorschaltzeichens dargestellt.
Für die zwei Schaltelemente der Vorrichtung nach Anspruch 2 sind zwei Signale vonnöten. Ein Signal ist das der Pulsweitenmodulation, das andere bewirkt das Zuschalten der unterstützenden (superpositionierten) Spannung. Durch diese Überlagerung der Versorgungsspannungen sinkt die Spannung am Verbraucher betragsmäßig niemals wesentlich unter den Betrag der unterstützenden Spannung, solange die betragsmäßig kleinere Versorgungsspannung zugeschaltet ist. Ein Halbleiterelement in Form einer Diode, namentlich D1-1 in 1, ermöglicht diese Superposition der Versorgungsspannungen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das ein Halbleiterelement in Form einer Diode, namentlich D1-1 in 1, eine Rückwirkung der betragsmäßig höheren Versorgungsspannung U1 auf die betragsmäßig geringere Versorgungsspannung U2 wirkungsvoll verhindert.
Verfahren nach Anspruch 1 insbesondere dadurch gekennzeichnet, das alternativ zu Anspruch 6 das Signal für den zweiten Schalter über angegebene Schaltung nach 4 erzeugt werden kann, sodass nunmehr nur ein Steuersignal (pulsweitenmoduliert) vonnöten ist.
Die Steuersignale für die Vorrichtung nach Anspruch 4, welche sich des Verfahrens nach Anspruch 1 bedienen, sind dadurch gekennzeichnet, das diese extern, beispielsweise durch einen Mikrocontroller zur Verfügung gestellt werden können. Dies gilt auch für das Steuersignal, welches nach Anspruch 8 alleinig vonnöten ist. Mit Hilfe entsprechender Software kann die Verbraucherspannung variiert werden.
Soll die Verbraucherspannung nach Verfahren gemäß Anspruch 1 nicht abschaltbar sein, dass heisst, die Verbraucherspannung darf stets höher und höchstens gleich der niedrigsten Versorgungsspannung sein, genügt ein Schaltelement nach Schaltung 2.
Als Schaltelement in Vorrichtung nach Anspruch 2 kommen Halbleiterbauelemente, also beispielsweise MOSFETs oder Bipolartransistoren zum Einsatz, die eine interne antiparallele Schutzdiode enthalten. Ist diese Schutzdiode nicht vorhanden, muss sie extern eingefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet das U1 und U2 über Schaltelemente nach Anspruch 4 und Anspruch 5 dem Verbraucher zugeführt werden. Die jeweiligen Steuersignale S1 für U1 und S2 für U2 werden nach Anspruch 3 bezogen und stellen sich laut 5 dar.
Verfahren nach Anspruch 1 insbesondere dadurch gekennzeichnet, das Verfahren entsprechend 3 wie folgt erweitert werden kann: Kaskadierung von mehreren, unterschiedlichen Versorgungsspannungen, bei denen die jeweils höhere Un mit Pulsweite moduliert wird und die jeweils geringere Un-1 konstant solange anliegt, bis die Ausgangsspannung unter Un-1 fallen soll. In diesem Fall wird Un-1 mit Pulsweitenmodulation angesteuert und Un-2 liegt permanent an. Somit ist die Abdeckung auch sehr weiter Spannungsbereiche möglich.
Verfahren nach Anspruch 1 ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, das es den störungsfreien Betrieb insbesondere von modernen elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren zulässt, bei welchen oftmals der Betrieb an pulsweitenmodulierter Betriebsspannung nicht möglich ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1 ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, das keinerlei Induktivitäten und Kapazitäten nötig sind, um ein Lücken des Laststromes zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 1 ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass durch zusätzliche RC- oder LC-Sieb- und Filterglieder die elektromagnetischen Störungen, die durch die hochfrequente Pulsweitenmodulation verursacht werden, wirkungsvoller minimiert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das sich die Vorrichtung, die nach den Ansprüchen 3 bis 16 arbeitet und beispielsweise nach Anspruch 2 ausgeführt ist, in das Gehäuse von Motoren und anderen Aktoren, wie beispielsweise Ventilatoren, beziehungsweise in das Gehäuse von Geräten, die als Verbraucher auftreten, integrieren lässt. Somit werden Störungen, die durch die verwendete Pulsweitenmodulation auftreten können, weiter minimiert und Kosten sowie Baugröße reduziert.
Das Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad in jedem Falle höher ist als bei Verwendung einer Linearsteuerung. Im Gegensatz zur Steuerung mit reiner Pulsweitenmodulation ist auch der Betrieb empfindlicher elektronischer Geräte und Schaltungen möglich.
Verfahren nach Anspruch 1 insbesondere dadurch gekennzeichnet, das es die Kosten für Steuerungen im Bereich der PC-Systeme, der Messsysteme sowie in der industriellen Regeltechnik verringert da großvolumige Halbleiter durch kleinere Bauformen ersetzt werden können, die eine geringere Verlustleistung aufgrund Anspruchs 18 abgeben.
Verfahren nach Anspruch 1 insbesondere dadurch gekennzeichnet, das es die elektromagnetischen Emissionen beim Einsatz für Steuerungen im Bereich der PC-Systeme, der Messsysteme sowie in der industriellen Regeltechnik deutlich verringert.
Verfahren nach Anspruch 1 insbesondere dadurch gekennzeichnet, das die Versorgungsspannungen nach Anspruch 13 betragsmäßig folgendermaßen gestaltet sind: die jeweils betragsmäßig geringere Spannung weist den halben Betrag der jeweils betragsmäßig höheren Spannung auf, oder weniger. Dadurch ergeben sich ökonomische Vorteile, es herrscht ein gutes Verhältnis von Aufwand zu erzielter Welligkeit.
Das Verfahren nach Anspruch 1 ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, das bei Vorhandensein auch von mehr als zwei Versorgungsspannungen nach Anspruch 13 und Anspruch 21 im kritischen Bereich der zu erzeugenden Ausgangsspannung (Verbraucherspannung) Ua um 0 Volt zu einer Linearregelung übergegangen wird, infolge derer dann allerdings nur sehr wenig Verlustleistung freisetzt wird. Die Welligkeit in diesem Spannungsbereich geht somit gegen 0.