-
Die
Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen elektronisch kommutierten
Motor, welcher insbesondere zum Antrieb kleiner Lüfter verwendbar ist.
-
Zum
Antrieb kleiner Lüfter
werden häufig elektronisch
kommutierte Motoren (ECM) mit zweisträngigen Treiberschaltungen ohne
Strombegrenzung verwendet, welche eine vorgegebene Leistungsdichte
aufweisen. Eine Erhöhung
der Leistungsdichte eines ECM wird in der Regel durch eine Verbesserung
des Wirkungsgrads erzielt. Je besser der Wirkungsgrad ist, umso
niederohmiger kann in der Regel der Widerstand der Motorwicklung
des ECM gewählt
werden. Dies führt
jedoch zu einem Vielfachen des Anlauf- und Blockierstromes des ECM
gegenüber
dem Mittelwert des Betriebsstromes. Um hierbei eine Überlastung
des ECM zu verhindern, müssen
bei der Erhöhung
der Leistungsdichte eines ECM entsprechende Strombegrenzungsmaßnahmen
ergriffen werden.
-
Die
Anwendung üblicher
Strombegrenzungsmaßnahmen
auf zweisträngige
Lüftermotoren erfordert
jedoch die Verwendung eines Elektrolytkondensators (Elko) im Zwischenkreis,
welcher im getakteten Betrieb dafür sorgt, dass die Spannung
am Zwischenkreis durch die Freilaufströme in der Endstufe in vertretbaren
Grenzen gehalten wird. Elkos weisen jedoch in der Regel nur eine
beschränkte
Lebensdauer auf und sind im notwendigen Kapazitätsbereich konstruktiv nur schwer
unterzubringen. Darüber hinaus
sind Elkos im notwendigen Abmessungsbereich ausschließlich in
bedrahteter Bauform erhältlich und
können
bei Verwendung von Voll-SMD (Surface Mounted Device)-Leiterplatten
nicht im Reflow-Lötprozess
auf den Leiterplatten angeordnet werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Steuerschaltung für einen
als Antrieb eines kleinen Lüfters
verwendbaren ECM bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine
Steuerschaltung nach Anspruch 1 gelöst.
-
Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Strombegrenzung
für einen
ECM, welcher insbesondere zum Antrieb kleiner Lüfter verwendbar ist, unter
Verwendung einer vergleichsweise einfachen und kostengünstigen
Steuerschaltung erreicht werden kann. Diese Steuerschaltung wird
erfindungsgemäß mit der
Endstufe des ECM verschaltet und umfasst vorzugsweise ein Strommessglied
und ein Motorstromstellglied. Das Strommessglied stellt eine vom
Motorstrom abhängige
Motorstromführungsgröße bereit.
Das Motorstromstellglied beeinflusst in Abhängigkeit von der Motorstromführungsgröße Kommutierungssignale
zur Ansteuerung der Endstufe. Dies ermöglicht eine Begrenzung des
Motorstroms insbesondere beim Anlaufen und Blockieren des ECM. Die
Erfindung ist hierbei jedoch nicht auf einen bestimmten Motorentyp
beschränkt.
-
Ein
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass eine entsprechende
Beschaltung der Endstufe Spannungsspitzen im Zwischenkreis und eine daraus
resultierende Belastung der Endstufe und der elektro-magnetischen
Verträglichkeit
in Grenzen hält und
eine mögliche
unangenehme Körperschallanregung
verringert. Hierzu umfasst die Steuerschaltung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Fußpunktdiode, welche in Reihe
mit dem Strommessglied und zwischen dem Strommessglied und mindestens
zwei Halbleiterschaltern der Endstufe angeordnet ist. Jeder Halbleiterschalter
ist mit einer zugehörigen
Statorwicklung des ECM verbunden. Wird ein erster Wicklungsstrang
des ECM über
ein entsprechendes Abschaltsignal sehr schnell abgeschaltet, so
steigt die Spannung im Strang und somit an dem zugehörigen Halbleiterschalter
durch die in dem Strang noch vorhandene Energie stark an. Durch
den Spannungsanstieg in dem ersten Wicklungsstrang wird über die
transformatorische Kopplung der bifilaren Wicklung eine entgegengesetzte
Spannung in einem entsprechenden zweiten Wicklungsstrang erzeugt.
Die entgegengesetzte Spannung bewirkt einen Stromfluss über die internen
Freilaufdioden, welche den mindestens zwei Halbleiterschaltern zugeordnet
sind, in den Zwischenkreis. Damit dieser Stromfluss nicht zu großen Spannungsspitzen
im Zwischenkreis und zu einer erhöhten Belastung der Halbleiterschalter
der Endstufe führt,
bewirkt die Fußpunktdiode
ein verlangsamtes Abschalten des ersten Halbleiterschalters, welcher somit
nach Empfang des Abschaltsignals noch kurzzeitig im linearen Zustand
gehalten wird. Hierdurch werden die Spannungsspitzen im Zwischenkreis
und auch die Ströme über die
Freilaufdioden in den Zwischenkreis stark eingedämmt.
-
Gegenüber bekannten
Lösungsansätzen kann
somit in einem Ausführungsbeispiel
der ansonsten im Zwischenkreis benötigte Elko auf einen im 100
nF-Bereich liegenden SMD-Keramikkondensator reduziert werden. Dies
ermöglicht
gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Realisierung einer Steuerschaltung
auf einer Voll-SMD-Leiterplatte, deren Bestückung komplett im Reflow-Lötprozess
erfolgen kann.
-
Gemäß weiteren
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist die Fußpunktdiode derart geschaltet,
dass kein Strom von Masse GND in den Gleichstromzwischenkreis fließen kann. Des
Weiteren sind die mindestens zwei Halbleiterschalter der Endstufe
vorzugsweise als Feldeffekttransistoren ausgebildet, wobei jeweils
der Source-Anschluss mit der Fußpunktdiode
und der Drain-Anschluss mit einer zugehörigen Statorwicklung des ECM
verbunden sind. Zwischen dem Gate-Anschluss und dem Drain-Anschluss jedes
der mindestens zwei Feldeffekttransistoren ist ein R/C-Glied vorgesehen.
Die R/C-Glieder verlangsamen das Abschalten der Halbleiterschalter
und flachen die steilen Schaltflanken der Abschaltsignale ab.
-
Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
-
1 ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung mit einer Steuerschaltung zur Strombegrenzung
für einen
ECM gemäß der Erfindung,
-
2 ein
vereinfachtes Schaltbild einer Vorrichtung mit einer Steuerschaltung
zur Strombegrenzung für
einen ECM gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung,
-
3 ein
vereinfachtes Schaltbild einer Vorrichtung mit einer Steuerschaltung
zur Strombegrenzung für
einen ECM gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung,
-
4 ein
vereinfachtes Schaltbild einer Steuerung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
-
1 zeigt
ein Blockdiagramm, welches die prinzipielle Funktionsweise einer
Vorrichtung 100 zum Betrieb eines ECM 120 gemäß der vorliegenden Erfindung
illustriert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 ist
dazu ausgebildet, den Motorstrom des ECM 120 insbesondere
beim Anlaufen und Blockieren des ECM 120 zu begrenzen.
Hierdurch können ein
Auftreten von Spitzenströmen
in der Motorwicklung des ECM 120 und somit eine Überbelastung
einzelner Komponenten der Vorrichtung 100 eingeschränkt werden.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung 100 eine Gleichspannungsquelle 110 (DC-Power),
welche mit dem ECM 120 und einer Steuerung 130 (Controller) verbunden
ist. Die Steuerung 130 umfasst eine Kommutierungssteuerung 132 (COMMUT),
welche eingangsseitig mit mindestens einem Hallgenerator bzw. Rotorstellungssensor 140 (Rotor
Position Sensor) verbunden ist. Der mindestens eine Hallgenerator 140 ist
dem ECM 120 zugeordnet. Die Kommutierungssteuerung 132 erzeugt
Kommutierungssignale für
eine Endstufe 122 (Power Stage) des ECM 120 in Abhängigkeit
von Hallsignalen, welche von dem mindestens einen Hallgenerator 140 bereitgestellt
werden. Die Endstufe 122 ist mit einer Steuerschaltung 150 zur
Begrenzung des Motorstroms des ECM 120 verbunden. Die Steuerschaltung 150 umfasst
ein Strommessglied 170 (MEAS_I), einen Motorstromgrenzwertgeber 160 (I_MAX)
und ein Motorstromstellglied 180 (I <= I_MAX). Erfindungsgemäß ist die Endstufe 122 ausgangsseitig über das
Strommessglied 170 mit dem Motorstromstellglied 180 verbunden.
Das Motorstromstellglied 180 ist eingansseitig des Weiteren
mit dem Motorstromgrenzwertgeber 160 verbunden. Ausgangsseitig
ist das Motorstromstellglied 180 zu der Endstufe 122 des
ECM 120 zurück
gekoppelt, um die von der Kommutierungssteuerung 132 bereitgestellten
Kommutierungssignale in Abhängigkeit
von einer von dem Strommessglied 170 bereitgestellten Motorstromführungsgröße zu beeinflussen.
-
Im
Betrieb der Vorrichtung 100 erzeugt die Gleichspannungsquelle 110 eine
Versorgungsspannung Vcc, welche auch als Betriebsspannung +U_B bezeichnet
wird. Die Versorgungsspannung Vcc wird einerseits dem ECM 120 und
andererseits der Steuerung 130 zugeführt. Der ECM 120 wandelt
die Versorgungsspannung Vcc in Drehungen mit einer bestimmten Drehzahl
um. Hierbei kann ein Drehzahl-Istwert mittels des dem ECM 120 zugeordneten mindestens
einen Hallgenerators 140 bestimmt werden. Vorzugsweise
wird hierzu aus den Hallsignalen des ECM 120 ein analoges,
drehzahlabhängiges
Signal n_i (Drehzahlistwertgröße) erzeugt,
welches den Drehzahl-Istwert des ECM 120 repräsentiert.
In Abhängigkeit
von der Drehzahlistwertgröße n_i erzeugt
die Kommutierungssteuerung 132 die Kommutierungssignale
zur Ansteuerung der Endstufe 122 des ECM 120.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung werden die Kommutierungssignale von dem Motorstromstellglied 180 zur Begrenzung
des Motorstroms des ECM 120 beeinflusst. Hierzu wird dem
Motorstromstellglied 180 ein Motorstromgrenzwert I_MAX
von dem Motorstromgrenzwertgeber 160 zugeführt. Der
Motorstromgrenzwert I_MAX ist ein veränderbarer Wert, welcher in
Abhängigkeit
von einer entsprechenden Ausgestaltung der Vorrichtung 100 einstellbar
ist. Des Weiteren wird dem Motorstromstellglied 180 von
dem Strommessglied 170 eine vom Motorstrom abhängige Motorstromführungsgröße I zugeführt. Das
Motorstromstellglied 180 vergleicht den Motorstromgrenzwert
I_MAX mit der Motorstromführungsgröße I oder einer
daraus abgeleiteten Größe und erzeugt
ein Steuersignal CTRL. Das Steuersignal CTRL wird der Endstufe 122 zugeführt, um
die Kommutierungssignale zur Ansteuerung der Endstufe 122 in
Abhängigkeit
von der Motorstromführungsgröße I zu
beeinflussen.
-
Somit
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung der Motorstrom des ECM 120 dadurch begrenzt,
dass die Kommutierungssignale zur Ansteuerung der Endstufe 122 in
Abhängigkeit
von einer dynamisch von dem Motorstrom abgeleiteten Motorstromführungsgröße I beeinflusst
werden. Insbesondere wird der Motorstrom gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dynamisch begrenzt für den Fall, dass die Motorstromführungsgröße I den
Motorstromgrenzwert I_MAX überschreitet.
Derartige Überschreitungen
treten u.a. beim Anlaufen oder Blockieren des ECM 120 aufgrund
von Spitzenströmen
in der Motorwicklung des ECM 120 auf. Somit ist die erfindungsgemäße Begrenzung
des Motorstroms insbesondere zur Begrenzung des Motorstroms beim Anlaufen
und Blockieren des ECM 120 zur Reduzierung der auftretenden
Spitzenströme
geeignet.
-
2 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer beispielhaften Schaltung 200,
mit welcher die Vorrichtung 100 zum Betrieb des ECM 120 von 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
realisiert wird. Dementsprechend umfasst die beispielhafte Schaltung 200 eine
Vielzahl von Bauelementen, welche die Gleichspannungsquelle 110,
den ECM 120 mit der Endstufe 122 und dem mindestens
einen zugeordneten Hallgenerator 140, die Steuerung 130 mit
der Kommutierungssteuerung 132 und die Steuerschaltung 150 mit
dem Motorstromgrenzwertgeber 160, dem Strommessglied 170 und
dem Motorstromstellglied 180 ausbilden.
-
In
der beispielhaften Schaltung 200 umfasst die Gleichspannungsquelle 110 einen
Pluspol Vcc, welcher mit einer Plusleitung 202 verbunden
ist, und einen Minuspol GND, welcher mit einer Minusleitung 204 verbunden
ist. Der Pluspol Vcc ist über
die Plusleitung 202 mit der Anodenseite einer Gleichrichterdiode 206 verbunden.
Die Kathodenseite der Gleichrichterdiode 206 ist einerseits über den
mindestens einen Hallgenerator 140 mit Masse und andererseits mit
einem Ende jedes Motorstrangs des ECM 120 verbunden. Der
ECM 120 ist beispielhaft als zweisträngiger Gleichstrommotor mit
zwei Motorsträngen 212 und 214 dargestellt.
Dementsprechend ist die Kathodenseite der Gleichrichterdiode 206 mit einem
Ende des Motorstrangs 212 und mit einem Ende des Motorstrangs 214 verbunden.
Das andere Ende des Motorstrangs 212 ist mit einem Halbleiterschalter 216 der
Endstufe 122 verbunden und das andere Ende des Motorstrangs 214 ist
mit einem Halbleiterschalter 218 der Endstufe 122 verbunden.
-
Wie
in 2 illustriert ist, werden die Halbleiterschalter 216 und 218 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
mit Feldeffekttransistoren vom Typ MOSFET realisiert. Hierbei sind
diejenigen Enden der Motorstränge 212 und 214,
welche mit den Halbleiterschaltern verbunden sind, jeweils an die Drain-Bereiche
der MOSFETs angeschlossen. Die jeweiligen Source-Bereiche der MOSFETs
sind über einen
Fußknotenpunkt 220 miteinander
verbunden. Der Source-Bereich des MOSFET 216 ist mit der
Anodenseite einer Freilaufdiode 222 verbunden, und der
Drain-Bereich des MOSFET 216 ist mit der Kathodenseite
der Freilaufdiode 222 verbunden. Der Source-Bereich des
MOSFET 218 ist mit der Anodenseite einer Freilaufdiode 224 verbunden,
und der Drain-Bereich des MOSFET 218 ist mit der Kathodenseite
der Freilaufdiode 224 verbunden. Des Weiteren ist das Gate
des MOSFET 216 einerseits mit der Kommutierungssteuerung 132 und
andererseits mit der Anodenseite einer Diode 232 verbunden.
Das Gate des MOSFET 218 ist einerseits ebenfalls mit der
Kommutierungssteuerung 132 und andererseits mit der Anodenseite
einer Diode 234 verbunden. Die Kathodenseiten der Dioden 232 und 234 sind
an den Ausgang eines Operationsverstärkers 270 angeschlossen.
Der Fußknotenpunkt 220 ist
weiterhin mit der Anodenseite einer Fußpunktdiode 240 verbunden.
Die Kathodenseite der Fußpunktdiode 240 ist über einen
Knotenpunkt 290 einerseits über einen Shuntwiderstand 250 mit
Masse und andererseits mit dem nicht-invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 270 verbunden.
Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem Motorstromgrenzwertgeber 160 verbunden,
welcher erfindungsgemäß mit einer
Bezugsspannungsquelle realisiert wird.
-
Die
Kommutierungssteuerung 132 ist eingangsseitig mit dem Hallgenerator 140 und
einer Blockierschutzeinheit 262 verbunden. Ausgangsseitig
ist die Kommutierungssteuerung 132 einerseits, wie oben
beschrieben, mit den Gate-Bereichen
der MOSFETs 216 und 218, und andererseits mit
einem Alarmmodul 264 verbunden. Das Alarmmodul 264 ist mit
einem Tacho/Alarm-Ausgang verbunden, an welchem ein Tacho- bzw.
Alarmsignal bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß ist die Blockierschutzeinheit 262 dazu
ausgebildet, über
Rotorstellungssignale, welche aus den Hallsignalen des ECM 120 abgeleitet werden
können,
zu ermitteln, ob der ECM 120 blockiert ist. Das Alarmmodul 264 ist
dazu ausgebildet, ein Alarmsignal auszugeben, wenn der Rotor des ECM 120 stehen
bleibt bzw. blockiert ist, da in diesem Fall die MOSFETs bzw. die
Motorwicklung durch Wärmebildung
thermisch zerstört
oder zumindest beschädigt
werden können.
Des Weiteren ist das Alarmmodul 264 dazu ausgebildet, ein
Tachosignal auszugeben, welches die Rotorstellung anzeigt.
-
Im
Betrieb der Vorrichtung 200 stellt die Gleichspannungsquelle 110 eine
Versorgungsspannung Vcc über
die Plusleitung 202 bereit. Die Versorgungsspannung Vcc
ist vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Gleichspannung,
welche von einem Netzgerät
oder einer Batterie erzeugt wird. Die Gleichrichterdiode 206 bildet
einen Verpolschutz für den
ECM 120. Somit ist die Gleichrichterdiode 206 nur
leitend für
eine Versorgungsspannung Vcc mit einer korrekten Polarität, wobei
negative Spannungsstörungen
in der Versorgungsspannung Vcc blockiert werden. Der ECM 120 wandelt
die Versorgungsspannung Vcc unter Verwendung der Motorstränge 212 und 214 in
eine Drehung eines Rotors 121, beispielsweise eines permanentmagnetischen
Rotors, um. Hierbei kann ein Drehzahl-Istwert des Rotors 121 mittels
des mindestens einen Hallgenerators 140, welcher dem ECM 120 zugeordnet
ist, bestimmt werden. Hierzu werden entsprechende von dem mindestens
einen Hallgenerator 140 erzeugte Hallsignale der Kommutierungssteuerung 132 zugeführt.
-
Die
Kommutierungssteuerung 132 erzeugt in Abhängigkeit
von dem Drehzahl-Istwert,
oder einer daraus abgeleiteten Größe, Kommutierungssignale OUT_1
und OUT_2 zur Ansteuerung der Endstufe 122, welche beispielhaft
mit den MOSFETs 216 und 218 realisiert wird. Die
Kommutierungssignale OUT_1 und OUT_2 werden den Gate-Bereichen der MOSFETs 216 und 218 zugeführt, um
unter Verwendung der MOSFETs 216 und 218 die durch
die Motorstränge 212 und 214 fließenden Ströme zu steuern, um
ein wechselndes Magnetfeld zum Antrieb des Rotors zu erzeugen. Insbesondere
können
die Motorströme
hierbei derart kommutiert werden, dass sich der Rotor des ECM 120 mit
einer vorgegebenen Drehzahl dreht.
-
Zur
Kommutierung der Motorströme
werden die MOSFETs 216 und 218 je nach Bedarf
durch entsprechende Kommutierungssignale OUT_1 bzw. OUT_2 ein- oder
ausgeschaltet, wodurch die den MOSFETs zugeordneten Motorstränge 212 und 214 ebenfalls
entsprechend an- oder abgeschaltet werden. Wird nun beispielsweise
der Motorstrang 212 über
ein entsprechendes Abschaltsignal sehr schnell abgeschaltet, so
steigt die Spannung in dem Motorstrang 212 und somit an
dem zugehörigen
MOSFET 216 durch die in dem Motorstrang 212 noch
vorhandene Energie stark an. Durch den Spannungsanstieg in dem Motorstrang 212 wird über die
transformatorische Kopplung der bifilaren Wicklung eine entgegengesetzte Spannung
in den Motorstrang 214 induziert. Diese entgegengesetzte
Spannung bewirkt einen Stromfluss über die internen Freilaufdioden 222 und 224,
welche den MOSFETs 216 und 218 zugeordnet sind,
in den Zwischenkreis. Damit dieser Stromfluss nicht zu großen Spannungsspitzen
im Zwischenkreis und zu einer erhöhten Belastung der MOSFETs 216 und 218 führt, bewirkt
nun die Fußpunktdiode 240 ein negatives
Potential am Fußknotenpunkt 220,
sodass kein Strom von Masse (GND) nach Vcc fließen kann. Somit bewirkt die
Fußpunktdiode 240 ein
verlangsamtes Abschalten des MOSFET 216, welcher nach Empfang
des Abschaltsignals noch kurzzeitig im linearen Zustand gehalten
wird. Hierdurch werden die Spannungsspitzen im Zwischenkreis und
auch die Ströme über die
Freilaufdioden 222 und 224 in den Zwischenkreis
beim Abschalten der Motorstränge 212 und 214 verringert.
Durch die Verringerung der Spannungsspitzen wird ebenfalls eine
Belastung der Endstufe eingeschränkt,
die elektromagnetische Verträglichkeit
wird verbessert und unangenehme Motorgeräusche werden verringert.
-
Dennoch
können
durch die erfindungsgemäß mögliche hohe
Leistung des ECM 120 und die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
sehr niederohmig ausgestalteten Motorwicklung 212, 214 beim
Anlaufen und Blockieren des ECM 120 extrem große Motorströme fließen, welche
eine große
Belastung für
die MOSFETs 216 und 218 und die Stromversorgung
der Motorstränge 212 und 214 darstellen würden. Hier
greift die erfindungsgemäße Strombegrenzung.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung fließt
der tatsächliche
Motorstrom, d.h. die Wicklungsströme in den Motorsträngen 212 und 214, über die
Fußpunktdiode 240 und
den Shuntwiderstand 250 nach Masse. Hierbei bilden der Shuntwiderstand 250 und
der Knotenpunkt 290 das Strommessglied 170, wobei über dem
Shuntwiderstand 250, d.h. an dem Knotenpunkt 290,
eine Spannung abgegriffen wird, welche unmittelbar von dem Motorstrom
abhängig
ist. Diese Spannung wird zur Bestimmung des Istwerts des Motorstroms
verwendet, welcher als Motorstromführungsgröße I dem nicht-invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 270 zugeführt wird.
Wie bereits oben beschrieben wurde, wird dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 270 von
dem Motorstromgrenzwertgeber 160 ein frei wählbarer
Motorstromgrenzwert I_MAX zugeführt.
-
Der
Operationsverstärker 270 bildet
das Motorstromstellglied 180 und wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung als Komparator betrieben. Dementsprechend vergleicht
der Operationsverstärker 270 die
Motorstromführungsgröße I, oder
eine daraus abgeleitete Größe, mit
dem vorgegebenen Motorstromgrenzwert I_MAX. Für den Fall, dass die Motorstromführungsgröße I den
vorgegebenen Motorstromgrenzwert I_MAX überschreitet, beeinflusst der
Operationsverstärker 270 die
Kommutierungssignale OUT_1 und OUT_2 über die Dioden 232 und 234 mit
einem Steuersignal CTRL. Dieses Steuersignal bewirkt, dass die MOSFETs 216 und 218 ausgeschaltet
werden, wodurch eine Begrenzung des Motorstroms erreicht wird. Somit
wird die Belastung der MOSFETs 216 und 218 und
der Motorwicklung 212, 214 erfindungsgemäß in den
extremen Betriebszuständen
des Anlaufens und Blockierens des ECM 120 reduziert.
-
Insbesondere
kann gemäß der in 2 dargestellten
Schaltung auf einen Elko im Zwischenkreis verzichtet werden. Dies
ermöglicht
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Realisierung der Steuerschaltung 150 auf einer
Voll-SMD-Leiterplatte, deren Bestückung komplett im Reflow-Lötprozess erfolgen kann.
-
3 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer beispielhaften Schaltung 300,
mit welcher die Vorrichtung 100 zum Betrieb des ECM 120 von 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
realisiert wird. Dementsprechend umfasst auch die beispielhafte
Schaltung 300 eine Vielzahl von Bauelementen, welche die
Gleichspannungsquelle 110, den ECM 120 mit der
Endstufe 122 und dem mindestens einen zugeordneten Hallgenerator 140,
die Steuerung 130 mit der Kommutierungssteuerung 132 und die
Steuerschaltung 150 mit dem Motorstromgrenzwertgeber 160,
dem Strommessglied 170 und dem Motorstromstellglied 180 ausbilden.
Hierbei verwendete gleiche bzw. gleich wirkende Bauelemente wie in 2 sind
mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals
erläutert.
-
In
der beispielhaften Schaltung 300 ist die Plusleitung 202 zwischen
dem Vcc-Anschluss
und dem Motorstrang 214 über einen Zwischenkreiskondensator 301 mit Masse
(GND) verbunden. Die Gate- und Drain-Bereiche des MOSFET 216 sind über eine Reihenschaltung
aus einem Kondensator 302 und einem Widerstand 304 miteinander
verbunden und die Gate- und Drain-Bereiche des MOSFET 218 sind über eine
Reihenschaltung aus einem Kondensator 306 und einem Widerstand 308 miteinander
verbunden. Dem Gate-Bereich des MOSFET 216 wird das Kommutierungssignal
OUT_2 über
einen Widerstand 312 zugeführt und dem Gate-Bereich des MOSFET 218 wird
das Kommutierungssignal OUT_1 über
einen Widerstand 314 zugeführt.
-
Im
Gegensatz zu 2 sind die Gate-Bereiche der
MOSFETs 216 und 218 jedoch nicht mit Dioden verbunden.
Vielmehr ist der Gate-Bereich des MOSFET 216 einerseits über einen
Widerstand 322 mit dem Kollektor eines NPN-Bipolartransistors 324 und
andererseits über
einen Widerstand 326 mit der Basis eines NPN-Bipolartransistors 328 verbunden. Entsprechend
hierzu ist der Gate-Bereich des MOSFET 218 einerseits über einen
Widerstand 332 mit dem Kollektor des NPN-Bipolartransistors 328 und andererseits über einen
Widerstand 334 mit der Basis des NPN-Bipolartransistors 324 verbunden.
Die Emitter der NPN-Bipolartransistoren 324 und 328 sind
mit der Anodenseite eine Diode 336 verbunden, deren Kathodenseite
an Masse liegt. Des Weiteren ist die Basis des NPN-Bipolartransistors 324 an
die Kathodenseite einer Diode 342 angeschlossen, und die
Basis des NPN-Bipolartransistors 328 ist
an die Kathodenseite einer Diode 344 angeschlossen. Die Anodenseiten
der Dioden 342 und 344 sind über einen Knotenpunkt 346 mit
dem Ausgang des Operationsverstärkers 270,
einem Widerstand 338 und einer Seite eines Kondensators 348 verbunden.
Der Pullup-Widerstand 338 ist mit VCC verbunden. Die andere
Seite des Kondensators 348 ist mit einer Seite eines Kondensators 352,
der Kathodenseite einer Diode 354 und der Anodenseite einer
Diode 356 verbunden. Die andere Seite des Kondensators 352 ist einerseits
an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 270 angeschlossen.
Andererseits ist die andere Seite des Kondensators 352 mit der
Kathodenseite der Diode 356 verbunden. Darüber hinaus
ist die andere Seite des Kondensators 352 über einen
Widerstand 358 mit dem Knotenpunkt 290 verbunden.
Die Anodenseite der Diode 354 liegt einerseits an Masse
und ist andererseits mit einem Anschluss eines Widerstands 362 verbunden.
Der andere Anschluss des Widerstand 362 ist über einen Knotenpunkt 364 einerseits
mit dem invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers 270 und
andererseits über
eine Reihenschaltung von zwei Widerständen 366 und 368 mit
dem Pluspol Vcc verbunden. Zwischen den beiden Widerständen 366 und 368 ist
die Kathodenseite einer Zenerdiode 372 angeschlossen, deren
Anodenseite auf Masse liegt.
-
Im
Betrieb der beispielhaften Schaltung 300 bilden die Kondensatoren 302 und 306 mit
den jeweils in Reihe dazu geschalteten Widerständen 304 und 308 R/C-Glieder.
Diese R/C-Glieder sind dazu ausgebildet, steile Schaltflanken von
Abschaltsignalen, d.h. Kommutierungssignalen OUT_1 und OUT_2 zum
Abschalten der Motorstränge 212 und 214,
abzuflachen. Somit tragen diese R/C-Glieder zum Verlangsamen des
Abschaltens der MOSFETs 216 und 218 bei. Hierdurch
kann in der beispielhaften Schaltung 300 im Zwischenkreis
beispielsweise anstelle eines Elkos ein im 100 nF-Bereich liegender
Keramikkondensator 301 (Kerko) verwendet werden. Insbesondere
kann der Kerko 301 mit einem SMD-Keramikkondensator realisiert
werden, um eine Realisierung der Steuerschaltung 150 auf
einer Voll-SMD-Leiterplatte,
deren Bestückung
komplett im Reflow-Lötprozess
erfolgen soll, zu ermöglichen. Darüber hinaus
wird durch das verlangsamte Abschalten der MOSFETs 216 und 218 die
elektro-magnetische Verträglichkeit
weiter verbessert, und ein entsprechendes Motorgeräusch bzw.
Körperschallgeräusch wird
zusätzlich
reduziert.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform können die
Kommutierungssignale OUT_1 und OUT_2 in der beispielhaften Schaltung 300 mit
den NPN-Bipolartransistoren 324 und 328 auf
Masse (GND) gezogen werden. Hierzu können die NPN-Bipolartransistoren 324 und 328 durch
ein entsprechendes Steuersignal CTRL von dem Operationsverstärker 270 leitend
geschaltet werden. Dieses Steuersignal CTRL wird der Basis jedes
NPN-Bipolartransistors 324 und 328 über eine
durch die Dioden 342 und 344 gebildete Diodenmatrix
zugeführt.
Dadurch, dass die NPN-Bipolartransistoren 324 und 328 leitend
geschaltet werden, werden die Kommutierungssignale OUT_1 und OUT_2
auf Masse gezogen. Hierbei können
die Kommutierungssignale OUT_1 und OUT_2 getaktet auf Masse gezogen
werden, wobei die Taktung z.B. mit einer Frequenz von ca. 1 kHz erfolgen
kann. Die Frequenz von ca. 1 kHz für die Taktung ist aus thermischen
Gründen
vorteilhaft. Um die durch die Taktung auftretenden Geräusche zu verringern,
ist ggf. auch eine andere Frequenz vorteilhaft. Dadurch, dass die
Kommutierungssignale OUT_1 und OUT_2 auf Masse gezogen werden, werden
die MOSFETs 216 und 218 sperrend geschaltet, was
wiederum eine Begrenzung der Wicklungsströme in den Motorsträngen 212 und 214 bewirkt.
-
Die
Diode 336, welche zwischen den Transistoren 324, 328 und
Masse GND angeordnet ist, gleicht im Falle des Leitens eines Endstufenschalters 216, 218 den
Potentialunterschied zu dem Potential an der Anode der Fußpunktdiode 240 aus,
indem an der Diode 336 eine ähnliche bzw. die gleiche Spannung
abfällt
wie an der Diode 240. Außerdem verhindert die Diode 336 bei
einer Falschpolung einen Stromrückfluss
in die Schaltung.
-
Zur
Erzeugung des Steuersignals CTRL vergleicht der Operationsverstärker 270 die
Motorstromführungsgröße I, welche
von dem Knotenpunkt 290 über den Widerstand 358 dem
nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 270 zugeführt wird,
mit dem Motorstromgrenzwert I_MAX. Der Motorstromgrenzwert I_MAX
wird von dem Motorstromgrenzwertgeber 160 zugeführt, welcher
mit den Widerständen 362, 366 und 368 und
der Zenerdiode 372 realisiert wird.
-
Anhand
der 3 wird nochmals das Prinzip erläutert. Der
Freilaufstrom 502, 502', 502'' ist
für den Fall
eingezeichnet, dass der Transistor 216 nichtleitend geschaltet
ist und das Potential am Gate-Anschluss des Transistors 218 durch
die Strombegrenzungs-Steuerschaltung 150 nach Masse GND
gezogen wird. In diesem Fall fließt der Freilaufstrom 502, 502', 502'' über den Freilaufkreis, der
sich aus dem noch leitenden Transistor 218, dem nichtleitenden Transistor 216 mit
der Freilaufdiode 222 und den Wicklungssträngen 212 und 214 zusammensetzt. Durch
die transformatorische Kopplung der Wicklungsstränge 212 und 214 sinkt
bei einer aktivierten Strombegrenzungs-Steuerschaltung 150 das
Potential an der einen Wicklung, wenn das Potential an der anderen
Wicklung steigt, bzw. umgekehrt. In diesem Zustand folgen die Source-Anschlüsse beider
Transistoren 216, 218 dem negativen Potential
des Drain-Anschlusses des bereits nichtleitenden Transistors 216.
Das Potential des Drain-Anschlusses des Transistors 218 steigt
dagegen auf 2* Vcc bzw. auf die doppelte Betriebsspannung. Dabei
verhindert die Fußpunktdiode 240,
dass ein Strom 500 in den Zwischenkreis zurückfließt, so dass
keine Zwischenkreisüberhöhung, also
eine Erhöhung
der Betriebsspannung bzw. der Spannung Vcc auftreten kann. Somit
ist nur ein kleiner Zwischenkreiskondensator (Elektrolytkondensator)
notwendig bzw. es kann komplett auf einen Zwischenkreiskondensator
verzichtet werden. Dadurch, dass das Potential am Punkt 220 wegen
der Fußpunktdiode 240 negativ werden
kann bzw. und in diesem Zustand auch wird, bewirkt die Aktivierung
der Strombegrenzungs-Steuerschaltung 150 nicht sofort ein
Abschalten des Transistors 218. Durch die Fußpunktdiode 240 wird
die Energie vollständig
in den Wicklungssträngen 212, 214 und
der Endstufe 122 abgebaut.
-
Auf
die gleiche Art wird die Energie in den Wicklungssträngen 212, 214 und
der Endstufe 122 abgebaut, wenn der Transistor 218 nichtleitend
ist und die Strombegrenzungs-Steuerschaltung 150 aktiviert
wird.
-
4 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer beispielhaften Schaltung 200,
mit welcher eine Beschaltung der Steuerung 130 zur Kommutierung
des ECM 120 von 1 gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung realisiert wird. In der beispielhaften Schaltung 400 wird
die Steuerung 130 illustrativ mit einem Kommutierungs-IC
realisiert. Dem Kommutierungs-IC 130 werden als Eingangssignale die
Hallsignale HALL_1 und HALL_2 an entsprechenden Eingängen "Hall1" und "Hall2" zugeführt, sowie
die Versorgungsspannung Vcc an einem entsprechenden "VCC"-Eingang. Der "VCC"-Eingang ist des
Weiteren über
einen Kondensator 402 einerseits mit Masse und andererseits
mit einem Masse-Eingang "GND" des Kommutierungs-ICs 130 verbunden.
An dem Kommutierungs-IC 130 ist des Weiteren ein Eingang "Charge" vorgesehen, welcher über einen
Kondensator 404 ebenfalls mit Masse verbunden ist. Ausgangsseitig
weist der Kommutierungs-IC 130 "Alarm"-, "Out1"- und "Out2"-Ausgänge auf,
an welchen die Signale Alarm, OUT_1 und OUT_2 bereitgestellt werden.
Illustrativ ist das Signal OUT_1 über eine Leitung 412 abgreifbar,
welche ebenfalls mit der Anodenseite einer Diode 410 verbunden
ist. Das Signal OUT_2 ist über
eine Leitung 414 abgreifbar, welche mit der Anodenseite
einer Diode 408 verbunden ist. Die Kathodenseiten der Dioden 408 und 410 sind
mit einem Knotenpunkt 416 verbunden. Der Knotenpunkt 416 ist
des Weiteren über
einen Widerstand 406 mit dem Eingang "Charge" des Kommutierungs-ICs 130 sowie
dem Kondensator 404 verbunden.
-
Im
Betrieb der beispielhaften Schaltung 400 erfolgt die Stromversorgung
des Kommutierungs-ICs 130 mit der Versorgungsspannung Vcc.
Der Kommutierungs-IC 130 erzeugt auf Grundlage der Hallsignale
HALL_1 und HALL_2 die Kommutierungssignale OUT_1 und OUT_2, sowie
das Alarmsignal Alarm.
-
Naturgemäß sind im
Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen
möglich.