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Die
Erfindung geht aus von einer Steuerschaltung für eine Anordnung mit wenigstens
zwei parallel an ein Gleichspannungsnetz anschließbaren Gleichstrommotoren,
insbesondere einer Schaltung zur Steuerung von wenigstens zwei Lüftermotoren
eines Kraftfahrzeuges, wie sie in bekannten Schaltungsanordnungen
von Luft-Leistungssteuerungen in Kraftfahrzeugen verwendet werden.
Die Steuerung derartiger Motoren erfolgt durch Pulsweitenmodulation
der Versorgungsspannung mit einer Taktfrequenz von üblicherweise
etwa 20 kHz, wobei das Pulsweitenverhältnis die Motorklemmenspannung
bestimmt. Damit wird die Leistung des Motors, beziehungsweise sein
Moment und seine Drehzahl eingestellt. Die Gleichstrommotoren werden
hierbei in Reihe mit zugeordneten Leistungsschaltelementen zwischen
den Pluspol und den Minuspol des Gleichspannungsnetzes geschaltet,
wobei den Motoren jeweils ein Freilaufkreis mit je einer Leistungsdiode
und einer gemeinsamen Verbindung zurück zum Pluspol des Gleichspannungsnetzes über eine
Drossel und ein weiteres Leistungsschaltelement zugeordnet ist.
Dieses weitere Leistungsschaltelement im Freilaufkreis dient dann
gleichzeitig dem Verpolschutz für
die Schaltungsanordnung und wird im Verpolungsfall hochohmig geschaltet.
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Weiterhin
ist aus der
DE 103
44 301 A eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines einzelnen
induktiven elektrischen Verbrauchers bekannt, welche erste und zweite
Schaltelemente aufweist, wobei das erste Schaltelement in Reihe
mit einem Widerstandselement und dem Verbraucher zwischen die Anschlussklemmen
eines Gleichspannungsnetzes geschaltet ist. Ferner ist hierbei parallel
zu der Reihenschaltung aus dem Widerstandselement und dem ersten
Schaltelement ein zweites Leistungsschaltelement angeordnet, welches
durch Pulsweitenmodulation steuerbar ist zur Einstellung der Leistung
des Verbrauchers im Betrieb. Diese bekannte Steuerschaltung offenbart
jedoch keine Leistungssteuerung für parallel geschaltete Elektromotoren
und sie macht auch keine Angaben über Schaltungsmöglichkeiten für den Freilauf
des Motors und zur Verhinderung von Schäden durch eine Verpolung beim
Anschluss an das Gleichspannungsnetz. Außerdem sind die getroffenen
Maßnahmen
zur Erfassung des Motorstromes verhältnismäßig aufwendig und kostspielig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung für eine Anordnung
mit wenigstens zwei parallel an ein Gleichstromnetz anschließbaren Gleichstrommotoren
anzugeben, welche unter Verwendung einer möglichst geringen Anzahl von Bauelementen
einen sicheren Betrieb der parallel geschalteten Motoren ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Hierbei
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in grundsätzlich bekannter
Weise die Halbleiterschaltelemente und die Vorwiderstände jeweils zwischen
dem Gleichstrommotor und dem Minuspol des Gleichspannungsnetzes
angeordnet sind, weil in diesem Fall die benötigten Steuerspannungen für die Halbleiterschaltelemente
auf einem niedrigerem Niveau liegen können als die Versorgungsspannung des
Gleichspannungsnetzes, wodurch Kosten beim Aufbau der Ansteuerung
für die
Halbleiterschaltelemente eingespart werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft,
wenn wenigstens einzelne Halbleiterschaltelemente als Sense-FETs
ausgebildet sind, weil derartige Halbleiterschaltelemente direkt
zur Strommessung im Leitungsstrang verwendbar sind, ohne zusätzliche
aufwendige Schaltungsmaßnahmen.
Außerdem
erlaubt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
die Einsparung weiterer Bauelemente für den Freilaufbetrieb der Gleichstrommotoren.
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Die
Halbleiterschaltelemente werden in der erfindungsgemäßen Steuerschaltung
vorteilhafterweise durch einen Mikrocontroller angesteuert, weil so
die verschiedenen Steuerungsmaßnahmen
in einer Ansteuerschaltung zusammengefasst werden können. Insbesondere
ist hierbei eine besonders einfache und preiswerte Überprüfung der
Polarität
des angeschlossenen Gleichspannungsnetzes möglich, indem dem Mikrocontroller
neben einem Sollwert für die
Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente zusätzlich ein Prüfsignal
für die
Polarität
der angeschlossenen Gleichspannung zugeführt wird. Hierdurch wird ohne
zusätzliche
Schaltelemente erreicht, dass die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente nur
freigegeben wird, wenn der Mikrocontroller die korrekte Polung der
angeschlossenen Gleichspannung erkannt hat.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispieles.
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Die
Abbildung zeigt eine Steuerschaltung für zwei parallel an ein Gleichspannungsnetz
angeschlossene Gleichstrommotoren, welche jeweils mit einem Lüfter gekoppelt
sind.
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In
der Abbildung sind mit 10 ein erster Gleichstrommotor und
mit 12 ein zweiter Gleichstrommotor bezeichnet, welche
parallel über
eine Leitung 14 mit dem Pluspol 16 eines Gleichspannungsnetzes
verbunden sind. Der Minuspol des Gleichspannungsnetzes ist mit 18 bezeichnet,
zwischen den Pluspol 16 und dem Minuspol 18 ist
zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit eine Zwischenkreiskapazität 20 geschaltet.
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Die
Gleichstrommotoren 10 und 12 sind jeweils mit
einem in der Zeichnung symbolisch angedeuteten Lüfter gekoppelt und vorzugsweise
für die Verwendung
bei einem Kühlgebläse eines
Kraftfahrzeuges bestimmt. Die Anordnung von zwei getrennten Motoren
eröffnet
beim Einbau in den Motorraum eines Kraftfahrzeuges die Möglichkeit,
die Bauhöhe im
Bereich der Motorhaube des Fahrzeuges zu reduzieren, so dass der
Konstrukteur eine größere Gestaltungsfreiheit
für die
Fahrzeugfront erhält.
Außerdem
eröffnet
die Verwendung von zwei kleineren Gebläseeinheiten statt einer großen Einheit
bessere Möglichkeiten
bei der Führung
und Bemessung der Kühlluft
und damit eine bessere Nutzung der Luftleistung bei der Kühlung des
Fahrzeugmotors. Entsprechende Überlegungen
gelten auch bei der Verwendung von zwei kleineren Motoren anstelle
eines großen
Motors beispielsweise bei der Anwendung im Klimagebläse eines
Kraftfahrzeuges.
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Die
Gleichstrommotoren 10 und 12 sind über je einen
niederohmigen Hochlastwiderstand 22 und 24 sowie über ein
gemeinsames Halbleiterschaltelement 26 in Form eines Sense-FET
mit einer Masseleitung 28 und über diese mit dem Minuspol 18 des Gleichspannungsnetzes
verbunden. Weiterhin ist jeder masseseitige Anschluss der Gleichstrommotoren 10 und 12 über getrennte
Halbleiterschalter 30 und 32 und über die
Masseleitung 28 an den Minuspol 18 des Gleichspannungsnetzes
angeschlossen, wobei auch für
diese Halbleiterschaltelemente Sense-FETs verwendet sind. Hierbei
ist jeweils die Drain-Elektrode der Sense-FETs mit je einem masseseitigen
Anschluss der Elektromotoren 10 und 12 verbunden,
die Source Elektroden sind an die Masseleitung 28 angeschlossen.
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Zur
Steuerung der Halbleiterschaltelemente 26, 30 und 32 sind
deren Gate-Elektroden mit zugeordneten Steuerausgängen eines
Mikrocontrollers 34 verbunden. Die Messelektroden der Sense-FETs 26, 30 und 32 liefern
dem Mikrocontroller 34 die Information über die Höhe des im jeweiligen Schaltungszweig
fließenden Stromes.
Der Mikrocontroller 34 ist zur Spannungsversorgung mit
der Plusleitung 14 und mit der Masseleitung 28 des
Gleichspannungsnetzes verbunden, an zwei weiteren Eingängen erhält er einen
Sollwert 36 für
die Steuerung der Motorströme sowie
ein Prüfsignal 28 zur
Kontrolle der korrekten Polung des Gleichspannungsnetzes beim Anschluss der
Steuerschaltung an dasselbe.
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Die
Steuerschaltung arbeitet folgendermaßen:
Entsprechend dem
anliegenden Sollwert 36 liefert der Mikrocontroller 34 Steuersignale
an die Halbleiterschaltelemente für die Gleichstrommotoren 10 und 12,
vorausgesetzt das Prüfsignal 38 signalisiert
die korrekte Polung der Gleichspannung an den Polen 16 und 18.
In der Anlaufphase erhält
der erste Sense-FET 26 von dem Mikrocontroller 34 ein
permanentes Einschaltsignal an seiner Gate-Elektrode. Der Sense-FET 26 wird
leitend und verbindet die Augänge
der Gleichstrommotoren 10 und 12 gleichzeitig und
gemeinsam über
die Vorwiderstände 22,
beziehungsweise 24 und seine Drain- und Source-Elektroden
mit dem Minuspol 18 des Gleichspannungsnetzes. Die Summe
aus den über
die Motoren 10 und 12 fließenden Strömen wird an den Auswerteelektroden des
Sense-FETs 26 erfasst und an den Mikrocontroller 34 geliefert,
welcher nach dem Erreichen eines vorgegebenen Anlauf-Summenstroms über die
Motoren 10 und 12 gepulste Einschaltsignale an
die Gate-Elektroden des zweiten Sense-MOSFET 30 und des
dritten Sense-MOSFET 32 liefert. Entsprechend dem Tastverhältnis dieser
Steuersignale wird der Gleichstrommotor 10 über den
zweiten FET 30 und der Gleichstrommotor 12 über den
dritten FET 32 unter Umgehung der Vorwiderstände 22 und 24 direkt
mit der Masseleitung 28 verbunden. Die Sense-Elektroden
der Sense-FETs 30 und 32 liefern getrennte Messwerte
für die
Motorströme
an den Mikrocontroller 34. Der erste Sense-FET 26 bleibt
dauernd leitfähig,
während
die Sense-FETs 30 und 32 mit einer Frequenz oberhalb
von 15 kHz, vorzugsweise mit einer Frequenz von 20 kHz, getaktet
werden.
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Da
die Gleichstrommotoren 10 und 12 bei der Verwendung
in Kraftfahrzeugen im Wesentlichen zur Verringerung der Baugröße gegenüber einem entsprechend
größeren Einzelmotor
Anwendung finden, werden sie über
ein gemeinsames Halbleiterschaltelement 26 in Form des
ersten Sense-FET gleichzeitig eingeschaltet. Die Motoren 10 und 12 können dabei
gleich groß sein
oder entsprechend den benötigten
Kühlluftströmen unterschiedliche Leistungen
abgeben. Entsprechendes gilt für
die Vorwiderstände 22 und 24,
wobei gegebenenfalls dem Motor mit der höheren Leistung zur Reduzierung
der Gesamtverlustleistung ein kleinerer Vorwiderstand zugeordnet
ist. Exakt gleiche Leistungen der Motoren 10 und 12 vermeidet
man zur Unterdrückung
von durch Schwebungen verursachten Resonanzen, welche bei unterschiedlichen
Drehzahlen nicht auftreten.
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Bei
einer üblichen
Leistung von 500 W für
einen derartigen Gleichstrommotor für ein Kühlluftgebläse liegt die Verlustleistung
am Vorwiderstand 22 oder 24 beim Anlauf der Motoren
in einer Größenordnung
von 100 W, der Motor selbst nimmt beim Anlauf eine Leistung in der
Größenordnung
von 200 W auf. Im Betrieb reduziert sich die Verlustleistung an
den Vorwiderständen 22 und 24 mit
zunehmendem Tastverhältnis
der PWM-Ansteuerung der Halbleiterschalter 30 und 32 und
wird bei voll durchgesteuerten Halbleiterschaltern nahezu Null.
Dabei steigt gleichzeitig die vom Motor aufgenommene Leistung von der
Anlaufleistung von etwa 200 W auf die volle Motorleistung von 500
W beim Anwendungsbeispiel.
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Die
erfindungsgemäße Steuerschaltung
ermöglicht
mit geringem Bauelementeaufwand den gesteuerten Betrieb von zwei
oder gegebenenfalls mehr parallel geschalteten Gleichstrommotoren
an einem Gleichspannungsnetz. Hierbei wird in der Anlaufphase der
Motoren nur ein gemeinsames Schaltelement benötigt, welches zusätzlich die
sonst üblichen
Bauelemente in den einzelnen Freilaufkreisen der Motoren ersetzt,
da es im Betrieb dauernd eingeschaltet bleibt und dabei den Freilaufstrom übernehmen
kann. Sonst benötigte
Freilaufdioden, Freilaufdrosseln und gegebenenfalls Elektrolytkondensatoren
können
entfallen. Die Vorwiderstände 22 und 24 sind
hierbei so dimensioniert, dass die Gleichstrommotoren 10 und 12 im
Anlaufbereich etwa 20% bis 50% ihrer Nenndrehzahl erreichen.
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Die
Drehzahlen der Gleichstrommotoren 10 und 12 können bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
auf unterschiedliche Weise eingestellt werden. Neben der Wahl unterschiedlicher
Motoren ist deren Drehzahl im Anlaufbetrieb durch die Größe des Vorwiderstandes 22,
beziehungsweise 24 bestimmt. Bei der Ansteuerung der Motoren über die Halbleiterschaltelemente 30 und 32 können zudem durch
unterschiedliche Tastverhältnisse
der Pulsweitenmodulation unterschiedliche Drehzahlen für die beiden
Motoren gewählt
werden. Der Vorwiderstand ist in diesem Fall niederohmig durch den
zugeordneten Halbleiterschalter überbrückt. Der
zweite oder jeder weitere Gleichstrommotor kann dabei entweder weiter über einen
Vorwiderstand oder direkt über
den zugeordneten Halbleiterschalter mit individuell wählbarem
Tastverhältnis
angesteuert werden.
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Neben
der Einsparung von Bauelementen für den Freilaufbetrieb und/oder
für den
Verpolungsfall ermöglicht
die erfindungsgemäße Steuerschaltung
bei Verwendung von Sense-FETs als Halbleiterschaltelemente 26, 30 und/oder 32 auch
die Erfassung des im jeweiligen Leitungszweig fließenden Stromes
und damit die Überwachung
einer eventuellen Blockierung oder Schwergängigkeit des betreffenden Motors.
Auch durch diese Maßnahme
kann der Schaltungsaufbau weiter deutlich reduziert werden. Gegebenenfalls
werden dabei für
hohe Motorströme
parallel geschaltete Halbleiterschaltelemente eingesetzt. Soll andererseits
auf die Verwendung von Sense-FETs für die Halbleiterschalterelemente 26, 30 und/oder 32 verzichtet
werden, so kann im Anlaufbetrieb auch der Spannungsabfall an den
Vorwiderständen 22 und 24 gemessen
und für
die Bestimmung der Motorströme
ausgewertet werden. Weiterhin ist es möglich, bei Verwendung normaler
MOSFETs für
die Halbleiterschaltelemente 30 und 32 eine Strommessung,
insbesondere eine Blockiererkennung, derart zu realisieren, dass
bei Volllast und einer Drehzahl der Motoren von 100% die Halbleiterschalter 30 und/oder 32 kurzzeitig
geöffnet
und dabei der über
den Vorwiderstand fließende
Motorstrom gemessen wird, entweder an den Sense-Elektroden des ersten Sense-FETS 26 oder
an dem zugeordneten Vorwiderstand 22 oder 24.
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Die
Schaltung kann insgesamt sowohl als sogenannte Highside-Schaltung oder als
Lowside-Schaltung ausgebildet werden. Funktional sind beide Schaltungen
gleichwertig. Die Lowside-Schaltung
bietet den Vorteil, dass für
die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente 26, 30 und 32 keine
erhöhten
Steuerspannungen benötigt
werden, die Highside-Schaltung hat den Vorteil, dass die Spannung
des Gleichspannungsnetzes nicht dauernd an den vom Pluspol 16 des
Netzes abgewandten Anschlüssen der
Gleichstrommotoren 10 und 12, beziehungsweise
am Verbindungspunkt hinter den Vorwiderständen 22 und 24 anliegt.