-
Die
Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor nach
der Gattung des unabhängigen
Anspruchs.
-
Stand der Technik
-
Eine
darartige Steuerschaltung für
einen getaktet angesteuerten Gleichstrommotor mit einem parallel
geschalteten Elektrolytkondensator und einer Freilaufdiode ist aus
der
DE 197 32 098
A1 bekannt. Zur Reduzierung von Störstrahlungen ist zwischen der
positiven Motorversorgungsspannung und dem Plus-Anschluss des Elektrolytkondensators
eine Drossel angeschlossen, wobei die Freilaufdiode mit ihrer Kathode
zwischen der Drossel und dem Elektrolytkondensator und mit ihrer
Anode an der negativen Seite des Gleichstrommotors liegt.
-
Weiterhin
zeigt die
EP 0998776
B1 eine Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor mit
einer außerhalb
des Versorgungsstromkreises des Gleichstrommotors angeordneten Ladestrombegrenzung,
die einen Transistorschalter mit einer diesem parallel geschalteten
Diode aufweiset, wobei die Ladestrombegrenzung zum Einen in den
Stromkreis einer Freilaufdiode und zum anderen in den Stromkreis eines
dem Gleichstrommotor parallel geschalteten Elektrolytkondensators
geschaltet ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Nachteilig
bei den Steuerschaltungen nach dem Stand der Technik ist jedoch,
dass es infolge einer dauerhaften elektrischen Verbindung mit einer Versorgungsspannung
zu einer so genannten rapiden Korrosion der Steuerschaltung, d.h.
einer thermischen Zerstörung,
beispielsweise infolge eines Abbrands, kommen kann.
-
Die
Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor, mit
einem Motorstromzweig, in dem der Gleichstrommotor und ein erstes Schaltmittel
in einer Reihenschaltung angeordnet sind, und mit einem zu dem Motorstromzweig
parallel angeordneten zweiten Stromzweig, in dem zumindest ein zweites
Schaltmittel und ein Kondensator in einer Reihenschaltung angeordnet
sind, wobei eine Freilaufdiode den Motorstromzweig und den zweiten Stromzweig
derart miteinander verbindet, dass sie einerseits an einem ersten
Kontaktpunkt zwischen dem Gleichstrommotor und dem ersten Schaltmittel des
Motorstromzweigs und andererseits an einem zweiten Kontaktpunkt
zwischen dem zweiten Schaltmittel und dem Kondensator des zweiter
Stromzweigs angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die
Steuerschaltung über
ein drittes Schaltmittel mit einer Versorgungsspannung verbindbar
ist und dass nach einem Schließen
des dritten Schaltmittels ein Kontrollschaltkreis das zweite Schaltmittel
erst dann dauerhaft schließt,
wenn der Kondensator eine minimale Ladespannung erreicht hat. Auf
diese Weise ergibt sich neben der Trennbarkeit der Steuerschaltung
von der Versorgungsspannung der Vorteil, dass ein hoher Einschaltstrom,
der das dritte Schaltmittel und den Kondensator stark belasten würde, wirkungsvoll
und kostengünstig
begrenzt werden kann.
-
Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Um
den Ladevorgang des Kondensators zu beschleunigen, ist es von Vorteil,
wenn der Kontrollschaltkreis das zweite Schaltmittel bis zum Erreichen der
Mindestladespannung des Kondensators getaktet ansteuert. Dabei erfolgt
die getaktete Ansteuerung des zweiten Schaltmittels vorzugsweise
mit einer Taktfrequenz von 10 kHz. Als Taktung wird in vorteilhafter
Weise eine Pulsweitenmodulation mit variierbarer Pulsweite zur Begrenzung
des Ladestroms verwendet, wobei der Kontrollschaltkreis die Ladespannung
des Kondensators zur Ermittlung des korrekten Zeitpunkts für das Schließen des
zweiten Schaltmittels überwacht.
-
Eine
weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung sieht vor,
dass zwischen dem zweiten Kontaktpunkt und dem zweiten Schaltmittel
des zweiten Stromzweigs eine Induktivität angeordnet ist. Diese dient
in vorteilhafter Weise der Glättung
des durch die Taktung verursachten Spannungsverlaufs und der Reduzierung
von Störabstrahlungen
infolge der getakteten Ansteuerung des Gleichstrommotors.
-
Vorzugsweise
ist die Freilaufdiode anodenseitig mit dem ersten Kontaktpunkt und
kathodenseitig mit dem zweiten Kontaktpunkt verbunden, wobei ein
Schließen
des ersten Schaltmittels die Anode der Freilaufdiode auf ein Bezugspotential
legt und das erste Schaltmittel als Low-Side-Schalter arbeitet.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Freilaufdiode anodenseitig
mit dem zweiten Kontaktpunkt und kathodenseitig mit dem ersten Kontaktpunkt
verbunden. In diesem Fall arbeitet das erste Schaltmittel als High-Side-Schalter, dessen
Schließen
die Kathode der Freilaufdiode auf ein Versorgungspotential legt.
-
Als
besonders kostengünstig
hat sich der Einsatz einen Elektrolytkondensators als Kondensator
im zweiten Stromzweig erwiesen. Ein Elektrolytkondensator ist jedoch
sehr verpolungsempfindlich, so dass der Einsatz einer Verpolschutzeinrichtung notwendig
ist, die durch das zweite oder dritte Schaltmittel realisiert wird.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Steuerschaltung als
Modul an die Versorgungsspannung anschließbar ist, und somit eine Verpolung
nicht ausgeschlossen werden kann. Ergänzend oder alternativ führt das
zweite Schaltmittel zudem die Funktion einer Ladestrombegrenzung aus.
-
Um
die Steuerschaltung von der Versorgungsspannung ferngesteuert trennen
zu können,
ist das dritte Schaltmittel als ein Relais ausgebildet, das in einer
mit einem Versorgungspotential verbundenen ersten Versorgungleitung
und/oder in einer mit einem Bezugspotential verbundenen zweiten
Versorgungsleitung angeordnet ist. Relais bieten zudem den Vorteil,
dass sie hohe Schaltströme
und -spannungen aufnehmen können.
Für das
erste und zweite Schaltmittel kommen in vorteilhafter Weise Transistoren,
insbesondere Feldeffekt-Transistoren, MOS-FET oder Leistungs-MOS-FET
zum Einsatz, da diese verhältnismäßig hohe
Schaltfrequenzen verarbeiten können
und aufgrund ihrer Ladungssteuerung den vorgeschalteten Kontrollschaltkreis
nahezu nicht belasten. Alternativ ist es aber auch möglich, Bipolar-Transistoren
oder IGBT einzusetzen, insbesondere, wenn das zweite Schaltmittel
als Verpolschutzeinrichtung arbeiten soll.
-
Zeichnung
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 und 2 beispielhaft
erläutert,
wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile
mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten. Die Figuren der Zeichnung,
deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale
in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten
und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird
ein Fachmann auch die Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
-
Es
zeigen
-
1:
ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung
und
-
2:
ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung.
-
In 1 ist
eine Steuerschaltung 10 für eine getaktete Ansteuerung
eines Gleichstrommotors 12 mit einem ersten Schaltmittel 14 gezeigt.
Gleichstrommotor 12 und erstes Schaltmittel 14 bilden
eine Reihenschaltung in einem Motorstromzweig 16, die über eine
erste Versorgungsleitung 17a und eine zweite Versorgungsleitung 17b mit
einer Versorgungsspannung U zwischen einem Versorgungspotential
V+ und einem Bezugspotential V– verbindbar ist.
Die getaktete Ansteuerung des als Low-Side-Schalters arbeitenden
ersten Schaltmittels 14 erfolgt durch einen Kontrollschaltkreis 18,
beispielsweise einen Microcontroller, ASIC oder dergleichen, mittels
einer Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer Taktfrequenz von ca.
20 kHz. Dabei können
durch Variation der Pulsweite eines PWM-Signals S1 die Drehzahl
und/oder das Drehmoment des Gleichstrommotors 12 entsprechend
einer Vorgabe mittels eines Sollsignals S verändert werden. Der Wert von 20
kHz für
die Taktfrequenz hat sich als vorteilhaft erwiesen, da die PWM in
diesem Fall außerhalb
des menschlichen Hörbereichs
erfolgt. Es können
aber je nach Anwendungsgebiet der Steuerschaltung 10 auch
andere Taktfrequenzen für
die Ansteuerung des Gleichstrommotors 12 verwendet werden.
-
Parallel
zum Motorstromzweig 16 ist ein zweiter Stromzweig 19 angeordnet
und mit den Versorgungsleitungen 17a, 17b verbunden.
Der zweite Stromzweig 19 weist eine Reihenschaltung bestehend
aus einem zweiten Schaltmittel 20, einer Induktivität 22 und
einem Kondensator 24 auf. Zwischen einem ersten Anschluss 12a des
Gleichstrommotors 12 und dem ersten Schaltmittel 14 des
Motorstromzweigs 16 befindet sich ein erster Kontaktpunkt 26. Weiterhin
ist zwischen der Induktivität 22 und
dem Kondensator 24 ein zweiter Kontaktpunkt 28 vorgesehen.
Eine Freilaufdiode 30 verbindet den Motorstromzweig 16 und
den zweiten Stromzweig 19 derart miteinander, dass sie
einerseits anodenseitig an dem ersten Kontaktpunkt 16 und
andererseits kathodenseitig an dem zweiten Kontaktpunkt 28 angeschlossen
ist.
-
Das
zweite Schaltmittel 20 arbeitet als Ladestrombegrenzung 31 und/oder
Verpolschutzeinrichtung 32 und wird durch den Kontrollschaltkreis 18 mittels
eines Steuersignals S2 angesteuert. Im normalen Betrieb der Steuerschaltung 10 ist
das zweite Schaltmittel 20 geschlossen; arbeitet es als
Verpolschutzeinrichtung 32, so wird es bei einer Verpolung der
Steuerschaltung 10 bzw. der Versorgungsspannung U, beispielsweise
infolge eines fehlerhaften Anschlusses in einer Werkstatt, zum Schutz
des ersten Schaltmittels 14 und des als Elektrolytkondensator 34 ausgebildeten
Kondensators 24, der mit seinem negativen Anschluss mit
der zweiten Anschlussleitung 17b und mit seinem positiven
Anschluss mit dem zweiten Kontaktpunkt 28 verbunden ist,
geöffnet.
Die Verwendung eines Elektrolytkondensators 34 zur Aufnahme
von Stromstößen erfolgt
in erster Linie aus Kostengründen.
So sind Elektrolytkondensatoren deutlich günstiger als entsprechend dimensionierte
Folienkondensatoren und bieten zudem für diese Anwendung die besseren
Bauteileeigenschaften. Die Detektion der Verpolung erfolgt durch
den Kontrollschaltkreis 18, der mit den Versorgungsleitungen 17a, 17b und
somit mit der Versorgungsspannung U verbunden ist. Darüber hinaus
ist auch der Kontrollschaltkreis 18 entweder durch eine
interne Ladestrombegrenzung oder durch eine zusätzliche, nicht gezeigte Spannungsüberwachungsvorrichtung vor
einer Verpolung geschützt.
Im Falle einer Verpolung wird der Kontrollschaltkreis 18 daher
nicht mehr mit Spannung versorgt, so dass auch die Ansteuerung des
ersten Schaltmittels 14 und damit des Gleichstrommotors 12 unterbleibt.
-
In
der Regel sind das erste und das zweite Schaltmittel 14, 20 als
Leistungs-MOSFETs 36, 38, insbesondere als n-Kanal-Leistungs-MOSFETs,
ausgebildet. Dabei ist der Drain-Anschluss
des ersten Schaltmittels 14 mit dem ersten Kontaktpunkt 26,
d.h. mit der Anode der Freilaufdiode 30 sowie mit dem ersten
Anschluss 12a des Gleichstrommotors 12, und dessen
Source-Anschluss mit der zweiten Versorgungsleitung 17b,
d.h. im normalen Betrieb mit dem Bezugspotential V–,
verbunden. Über
seinen Gate-Anschluss wird der Leistungs-MOSFET 36 mittels
des PWM-Signals S1 zur Steuerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments
des Gleichstromotors 12 getaktet. Alternativ kann das erste
Schaltmittel 14 auch als Sense-FET ausgebildet sein, mit
dem direkt der Motorstrom sowie die Umgebungstemperatur gemessen
und an den Kontrollschaltkreis 18 zur Überwachung des Gleichstrommotors 12 übergeben werden
(in 1 nicht gezeigt). Ist das zweite Schaltmittel 20,
wie in 1 gezeigt, ein Leistungs-MOSFET 38, dessen
Drain-Anschluss mit dem zweiten Anschluss 12b des Gleichstrommotors 12 verbunden ist
und im normalen Betrieb an dem Versorgungspotential V+ liegt,
während
der Source-Anschluss
mit der Induktivität 22 verbunden
ist, so kann es aufgrund einer gestrichelt dargestellten, intrinsischen
Diode 39, deren Anode dem Source-Anschluss und deren Kathode
dem Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFET 38 entspricht,
nicht die Funktion einer Verpolschutzeinrichtung 32 übernehmen,
sondern lediglich als Ladestrombegrenzung 31 arbeiten.
Das zweite Schaltmittel 20 ist nur dann als Verpolschutzeinrichtung 32 einsetzbar,
wenn es als ein Bipolartransistor ausgebildet ist, dessen Kollektor
mit der ersten Versorgungsleitung 17a und dessen Emitter
mit der Induktivität 22,
bzw. wenn diese nicht eingesetzt wird, mit dem zweiten Kontaktpunkt 28 verbunden
ist.
-
Durch
die beschriebene Anordnung der Induktivität 22 im zweiten Stromzweig 19 kann
diese in vorteilhafter Weise für
relativ kleine Ströme,
beispielsweise bei einem 30-Ampère-Ventilatormotor
für 6 A,
ausgelegt und damit in ihren Abmessungen sehr klein gehalten werden.
Gleichzeitig kann eine in der ersten Versorgungsleitung 17a angeordnete,
weitere Induktivität 40 wesentlich
verkleinert werden oder gänzlich
entfallen, so dass zusätzlich
eine erhebliche Kostenreduzierung erreichbar ist. Es sei jedoch
erwähnt,
dass der Einsatz der beiden Induktivitäten 22 und 40 für die Erfindung
nicht zwingend notwendig ist, so dass auf sie unter Umständen gänzlich verzichtet
werden kann. Entsprechendes gilt auch für einen als Entstörkondensator 42 dienenden
Folienkondesator 44 zwischen den Versorgungleitungen 17a und 17b.
-
Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass die Steuerschaltung 10 zur Vermeidung
rapider Korrosion mittels eines dritten Schaltmittels 46,
das beispielsweise als Relais 48 oder dergleichen ausgebildet
und in der mit dem Versorgungspotential V+ verbundenen
ersten Versorgungleitung 17a und/oder in der mit dem Bezugspotential
V– verbundenen
zweiten Versorgungsleitung 17b angeordnet sein kann, von
der Versorgungsspannung U trennbar bzw. mit dieser wieder verbindbar
ist. Dabei wird das Relais 48 für den Fall, dass es sich bei
dem Gleichstommotor 12 um einen Lüftermotor für einen Verbrennunungsmotor
eines Kraftfahrzeugs handelt, geöffnet, wenn
eine Luftkühlung
des Verbrennungsmotors nicht erforderlich ist. Wird diese dagegen
angefordert, so schließt
entweder der Kontrollschaltkreis 18 oder ein nicht gezeigtes
Steuergerät
das Relais 48 zur Aktivierung der Steuerschaltung 10 mittels
eines Schaltsignals S3. Infolge der vorhergehenden Entladung und
demzufolge nunmehr notwendigen Aufladung des Elektrolytkondensators 24 kommt
es zu einem sehr starken Einschaltstrom, der sowohl das Relais 48 als
auch den Elektrolytkondensator 24 stark belastet. In Abhängigkeit
vom Innenwiderstand einer Kraftfahrzeugbatterie und dem Leitungswiderstand der
Zuleitungen können
Einschaltstromspitzen von bis zu 60 A entstehen. Diese Einschaltstrombelastung
kann deutlich reduziert werden, indem der Kontrollschaltkreis 18 das
zweite als Ladestrombegrenzung 31 und/oder Verpolschutzeinrichtung 32 arbeitende
Schaltmittel 20 nach Schließen des Relais 48 erst
dann mittels des Steuersignals S2 dauerhaft schließt, wenn
der Elektrolytkondensator 24 eine minimale Ladespannung
UC erreicht hat, wobei die Aufladung des
Kondensators 24 über
den Gleichstrommotor 12 und die Freilaufdiode 30 erfolgt.
Zur Überwachung
der Ladespannung UC wird diese an dem zweiten
Kontaktpunkt 28 abgegriffen und an den Kontrollschaltkreis 18 übergeben.
-
Um
den Ladevorgang des Elektorlytkondensators 34 zu beschleunigen,
kann der Kontrollschaltkreis 18 das zweite Schaltmittel 20 bis
zum Erreichen der minimalen Ladespannung UC getaktet
ansteuern. So ist in diesem Fall das Steuersignal S2 ein PWM-Signal mit einer
Taktfrequenz von beispielsweise 10 kHz, dessen Pulsweite zur Begrenzung
des Ladestroms entsprechend variierbar ist. Es sind aber ohne Einschränkung der
Erfindung auch gänzlich
andere Taktfrequenzen denkbar. Nachdem die minimale Ladespannung
UC erreicht wurde, steuert der Kontrollschaltkreis 18 das
zweite Schaltmittel 20 derart an, dass es dauerhaft geschlossen
ist, d.h. das Steuersignal S2 weist dann einen konstanten Pegel
auf. Ein Öffnen
des zweiten Schaltmittels 20 erfolgt erst wieder, wenn
die Steuerschaltung 10 entweder mittels des Relais 48 von
der Versorgungsspannung U getrennt oder an diese verpolt angeschlossen
wird.
-
Die
Verwendung eines Relais 48 als drittes Schaltmittel 46 bietet
zudem die Möglichkeit,
dieses in Verbindung mit dem Kontrollschaltkreis 18 als
Verpolschuzteinrichtung 50 einzusetzen. Im normalen Betrieb
ist das Relais 48 infolge einer Ansteuerung mittels des
Schaltsignals S3 leitend, während
es im Falle einer detektierten Verpolung durch den nunmehr inaktiven
Kontrollschaltkreis 18 hochohmig wird. In diesem Fall wird
auch die Ansteuerung des ersten und zweiten Schaltmittels 14 bzw. 20 durch
die Signale S1 und S2 unterbrochen und ein Stromfluss durch das
erste Schaltmittel 14 sowie durch die Freilaufdiode 30,
die Induktivität 22 und
das zweite Schaltmittel 20 vermieden, um deren Zerstörung zu verhindern.
Weiterhin gestattet diese Veriante die Verwendung eines MOSFET 38 als
zweites Schaltmittel 20 zur reinen Ladestrombegrenzung 31.
-
In 2 ist
eine alternative Ausgestaltung einer Steuerschaltung 100 dargestellt.
Im Unterschied zu der Steuerschaltung 10 aus 1 wird
der Gleichstrommotor 12 nun über ein als High-Side-Schalter ausgebildetes
erstes Schaltmittel 14, das hier als allgemeiner Schalter
dargestellt ist, angesteuert. D.h., im Motorstromzweig 16 ist
das erste Schaltmittel 14 einerseits über die erste Versorgungsleitung 17a mit dem
Versorgungspotential V+ und andererseits
mit dem ersten Kontaktpunkt 26 sowie dem zweiten Anschluss 12b des
Gleichstrommotors 12 verbunden, während der erste Anschluss 12a des
Gleichstrommotors 12 dauerhaft auf Bezugspotential V– liegt. Auch
im parallel zum Motorstromkreis 16 angeordneten zweiten
Stromzweig 19 ist die Reihenfolge von zweitem Schaltmittel 20,
Induktivität 22,
zweitem Kontaktpunkt 28 und Kondensator 24 zwischen
dem Versorgungspotential V+ und dem Bezugspotential
V– vertauscht.
Dies hat zur Folge, dass die Polung der Freilaufdiode 30 zwischen
dem ersten und dem zweiten Kontaktpunkt 26 bzw. 28 gegenüber der
Steuerschaltung 10 gemäß 1 umgedreht
werden muss, so dass die Freilaufdiode 30 kathodenseitig
mit dem ersten Kontaktpunkt 26 und anodenseitig mit dem zweiten
Kontaktpunkt 28 verbunden ist. Ein Schließen des
ersten Schaltmittels 14 mittels des PWM-Signals S1 legt
demnach die Kathode der Freilaufdiode 30 auf das Versorgungspotential
V+.
-
Da
die Funktionsweise der Steuerschaltung 100 im Wesentlichen
derjeniegen der Steuerschaltung 10 nach 1 entspricht,
soll hierauf nicht nochmals eingegangen werden. Auch die Schaltmittel 14, 24 und 46 sowie
die übrigen
Bauelemente entsprechen in ihrer Ausgestaltung denjenigen aus 1.
In diesem Zusammenhang sei jedoch darauf hingewiesen, dass die gezeigten
Ausführungsbeispiele
weder auf die 1 und 2 noch auf
die Art der verwendeten Schaltmittel oder die genannten Werte für die Ströme und die
PWM-Taktfrequenzen beschränkt
ist. Darüber
hinaus ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung 10, 100 nicht auf
Kühlvorrichtungen
für Verbrennungsmotoren
in Kraftfahrzeugen beschränkt.
Vielmehr kann sie in allen Applikationen, bei denen die Drehzahl
und/oder das Drehmoment eines Gleichstrommotors auf entsprechende
Weise gesteuert bzw. geregelt wird, angewendet werden.