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Die
japanische Prioritätsanmeldung
Nr. 2006-234987 , welche der vorliegenden Patentanmeldung
zugrunde liegt, wird hiermit durch Bezugnahme eingefügt.
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Hintergrund der Erfindung
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(1) Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Detektion von abnormalen Zuständen eines Motors.
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(2) Beschreibung des Standes der Technik
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Herkömmliche
Motoren werden als Antriebsquellen für beispielsweise in Motorfahrzeugen
angeordnete Kühlungsventilatoren
und Brennstoffpumpen eingesetzt. Einige Antriebsmotoren für diese
Vorrichtungen weisen eine Schaltvorrichtung wie beispielsweise einen
Feldeffekttransistor (FET) auf, welcher in einem Strompfad von der
Energiequelle zu dem Motor vorgesehen ist. Diese Schaltvorrichtung
ermöglicht
die stufenlose Geschwindigkeitssteuerung der Motordrehzahl durch Änderung
eines Arbeitszyklus der dem Motor zugeführten Spannung.
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Jedoch
können
Motorwicklungen und Schaltvorrichtungen der herkömmlichen Motoren thermisch zerstört werden,
wenn eine Motorblockade oder ein Kurzschluss auftritt und in dessen
Folge ein kontinuierlicher Überlaststrom
fließt.
Um einen solchen Überlaststrom
aufgrund einer Motorblockade oder eines Kurzschlusses zu vermeiden,
werden unterschiedliche Verfahren zur Detektion abnormaler Zustände eingesetzt.
Beispielsweise detektieren die Motorantriebsvorrichtungen, welche
in dem Dokument 1 (
japanische
ungeprüfte
Patentanmeldung Nr. 2001-298988 )
und 2 (
japanische ungeprüfte Patentanmeldung
Nr. H10-8959 )
dargestellt sind, ein Auftreten eines abnormalen Zustandes, wenn
ein Stromfluss durch den Motor einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Einige der bekannten Verfahren zur Detektion abnormaler Zustände erkennen
die abnormalen Zustände
basierend auf einem Spannungswert zwischen einem Drain-Anschluss
und einem Source-Anschluss eines als Schaltvorrichtung vorgesehenen
Feldeffekttransistors. Hierbei wird eine Spannung gemessen, die
zu dem Wert des durch den Motor fließenden Stromes korrespondiert.
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Weitere
Verfahren zur Detektion abnormaler Zustände, welche auf dem oben beschriebenen durch
den Motor fließenden
Strom basieren, detektieren jedoch den Fall eines Zwischenschicht-Kurzschlusses, bei
dem ein abschnittsweiser Überlaststrom
für eine
kurze Zeitdauer auftritt, nicht als abnormalen Zustand, weil solch
ein flüchtiger Überlaststrom
wie er beim Zwischenschicht-Kurzschluss auftritt, kaum feststellbar
ist, weshalb der Zwischenschicht-Kurzschluss als abnormaler Zustand
nicht erkannt wird. Weil der Überlaststrom
im Fall des Zwischenschicht-Kurzschlusses kleiner ist als in dem Fall
des direkten Kurzschlusses, überschreitet
der durch den Zwischenschicht-Kurzschluss ausgelöste Überlaststrom nicht in allen
Fällen
eine vorgegebene Schwelle. Trotzdem kann ein abschnittsweiser Überlaststrom,
der durch einen Zwischenschicht-Kurzschluss ausgelöst wird,
einen fortschreitenden Anstieg der Temperatur der Schaltvorrichtung
auslösen und
letztendlich zur thermischen Zerstörung der Schaltvorrichtung
führen.
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Zudem
versagen die Verfahren zur Detektion abnormaler Zustände basierend
auf der oben beschriebenen Erkennung des Stromflusses durch den Motor
bei der exakten Erkennung abnormaler Zustände, wenn der Wärmeabstrahlungsgrad
der Schaltvorrichtung infolge von Alterung abnimmt. Dieses bedeutet,
dass der durch den Motor fließenden Strom,
welcher ansonsten andererseits nicht zu einer thermischen Zerstörung beiträgt, durch
den mit der Alterung abnehmende Wärmeabstrahlungsgrad die thermische
Zerstörung
herbeiführt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Mit
Fokus auf die vorstehend diskutierten Nachteile ist es ein Hauptziel
der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Detektion abnormaler Zustände
eines Motors bereitzustellen, welche fähig sind, die abnormalen Zustände des Motors
genau zu detektieren.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung
zur Detektion abnormaler Zustände
eines Motors eine Schaltvorrichtung zum Ein- und Ausschalten der
dem Motor zugeführten
elektrischen Energie, einen Schaltertemperatursensor zur Detektion
einer Temperatur der Schaltvorrichtung, einen Umgebungstemperatursensor
zur Detektion einer Umgebungstemperatur und eine Motorabnormalitätszustanddetektionsvorrichtung
um basierend auf einer Differenz zwischen der Temperatur der Schaltvorrichtung
und der Umgebungstemperatur abnormale Zustände des Motors zu detektieren.
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Dadurch,
dass der Motorabnormalitätszustanddetektor
auf Basis der Differenz zwischen der Schaltvorrichtungstemperatur
und der Umgebungstemperatur den abnormalen Zustand des Motors erkennen
kann, kann dieser detektiert werden und die thermische Zerstörung des
Motors auch im Fall des Auftretens des Zwischenschicht-Kurzschlusses
oder beim alterungsbedingten Nachlassen des Wärmeabstrahlungsgrades der Schaltvorrichtung
verhindert werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt die oben beschriebene Vorrichtung
zur Detektion abnormaler Zustände
ferner einen Überlaststromdetektor
zur Detektion eines Überlaststromes
ein, welcher gleich oder größer als ein
vorbestimmter Wert ist, der durch die Schaltvorrichtung fließt, wobei
die Schaltvorrichtung eine Halbleiterschaltvorrichtung aufweist,
welcher eingeschaltet wird, wenn die Schaltvorrichtung eine Treiberspannung
zwischen einem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss der Schaltvorrichtung
anlegt und wobei ein durch die Schaltvorrichtung fließender Strom
durch Verringerung der Treiberspannung, welche durch den Gate-Anschluss
und den Source-Anschluss der Schaltvorrichtung fließt, wenn
der Überlaststrom
durch den Überlaststromdetektor
detektiert wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt detektiert der Überlaststromdetektor
einen durch die Schaltvorrichtung fließenden Strom, der gleich oder
größer als
ein vorbestimmter Stromflusswert durch die Schaltvorrichtung ist.
Bei Erkennen des Überlaststroms
wird die über
die Gate-Source-Strecke angelegte Treiberspannung der Schaltvorrichtung
verringert und der durch die Schaltvorrichtung fließende Strom
begrenzt. Demgemäß tritt
beim Einschalten der Schaltvorrichtung ein Einschaltstrom auf, und
fließt Überlaststrom,
welcher gleich oder größer einem
vorgegebenen Wert ist, durch die Schaltvorrichtung, so dass dann
der durch den Schalter fließende
Strom begrenzt ist. Was den Einschaltstrom anbetrifft, nimmt nach
einer Einschaltstromperiode der durch die Schaltvorrichtung fließende Strom
ab und der Überlaststromdetektor
detektiert keinen Überlaststrom
mehr. Die Strombegrenzung ist beendet und die Schaltvorrichtung
wird wieder durch die im Normalzustand vorliegende Treiberspannung
betrieben. Folglich wird der dem Motor zugeführte Strom dank des Einschaltstromes
nicht unterbrochen.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung
zur Detektion abnormaler Zustände
des Motors die Schaltvorrichtung und den Schaltertemperatursensor
auf, welche zusammen auf einem Chip angeordnet sind.
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Dadurch
sind die Schaltvorrichtung und der Schaltertemperatursensor zusammen
auf einem Chip angeordnet. Diese Anordnung bewirkt eine genaue Detektion
der Temperatur der Schaltvorrichtung.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die oben beschriebene
Vorrichtung zur Detektion des abnormalen Zustandes des Motors, einen
Motorabnormalitätszustanddetektor auf,
welcher einen ersten abnormalen Zustand, wie beispielsweise die
Blockade des Motors detektiert, wenn die Differenz zwischen der
Temperatur der Schaltvorrichtung und der Umgebungstemperatur einen
ersten Schwellenwert überschreitet,
welcher bezüglich
der detektierten Differenz im Falle einer Motorblockade festgelegt
ist, und ebenso einen zweiten abnormalen Zustand wie einen Kurzschluss
detektiert, wenn die vorstehend erwähnte Differenz einen zweiten
Schwellenwert überschreitet,
welcher bezüglich
der detektierten Differenz im Fall eines Kurzschlusses festgelegt
ist.
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Demnach
wird das Auftreten der Motorblockade detektiert, wenn die Differenz
der Temperatur der Schaltvorrichtung und der Umgebungstemperatur
den ersten Schwellenwert überschreitet,
während das
Auftreten eines Kurzschlusses detektiert wird, wenn die Differenz
den zweiten Schwellenwert überschreitet.
Dies ermöglicht
es, die Motorblockade und den Kurzschluss als zwei merklich unterschiedliche Phänomene zu
detektieren.
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Entsprechend
einem fünften
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung zur Detektion
des abnormalen Zustandes des Motors, wie sie oben erwähnt, ebenso
eine Schaltersteuer vorrichtung auf, um die dem Motor zugeführte Energie
durch Steuerung der Schaltvorrichtung zu verringern, wenn eine Motorblockade
detektiert wird.
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Dabei
wird die Schaltvorrichtung, wenn eine Motorblockade detektiert wird,
unter die Kontrolle der Schaltersteuervorrichtung gestellt, um die
dem Motor zugeführte
Spannung zu verringern. Dies erlaubt es, im Fall einer kurzzeitigen
Motorblockade die Versorgung des Motors mit elektrischer Energie
aufrecht zu erhalten, so dass die Schaltvorrichtung gegen thermische
Zerstörung
geschützt
werden kann.
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Entsprechend
einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung
zur Detektion abnormaler Zustände
des Motors wie vorstehend erwähnt
ebenso eine Unterbrechungsvorrichtung zum Abschalten der dem Motor
zugeführten elektrischen
Energie durch Abschalten der Schaltvorrichtung, wenn ein Kurzschluss
detektiert wird, auf.
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Dabei
stoppt die Unterbrechungsvorrichtung die dem Motor zugeführte elektrische
Energie durch Ausschalten der Schaltvorrichtung, wenn das Auftreten
eines Kurzschlusses detektiert wird. Dies ermöglicht es, die elektrische
Energie (den Strom) zu unterbrechen, bevor die thermische Zerstörung der Schaltvorrichtung
eintritt.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben, kann
der abnormale Zustand mit Genauigkeit sogar detektiert werden, wenn
ein Zwischenschicht-Kurzschluss auftritt oder wenn das Wärmeabstrahlungsvermögen der
Schaltvorrichtung aufgrund Alterung nachlässt. Ebenso, da der abnormale
Zustand des Motors basierend auf der Differenz zwischen der Temperatur der
Schaltvorrichtung und der Umgebungstemperatur detektiert wird, ist
der abnormale Zustand, welcher nicht allein durch den durch die
Schaltvorrichtung fließenden Strom
detektiert wird, ebenso detektierbar. Dies ermöglicht die exakte Erkennung
des abnormalen Zustandes.
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Entsprechend
dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wenn die Schaltvorrichtung eingeschaltet
ist, der Einschaltstrom fließt
und der Überlaststrom,
der gleich oder größer als
ein vorbestimmter Wert ist, durch die Schaltvorrichtung fließt dann
der durch die Schaltvorrichtung fließende Strom wie erforderlich
begrenzt. Im Hinblick auf den Einschaltstrom verringert sich der
Stromfluss durch die Schaltvorrichtung nach der Einschaltstromperiode.
Ebenso, wenn der Überlaststromdetektor
keinen Überlaststrom
mehr detektiert ist die Strombegrenzung angeregt und die Schaltvorrichtung
wird wieder mit der Treiberspannung im normalen Zustand betrieben.
Eine genauere Detektion der abnormalen Zustände des Motors wird dadurch
sichergestellt. Da der dem Motor zugeführte Strom dank des Einschaltstromes
nicht gestoppt wird, kann die fälschliche
Detektion und Behandlung des Einschaltstromes als Kurzschlussstrom
wirkungsvoll verhindert werden, und folglich die genaue Detektion
von abnormalen Zuständen
des Motors gesichert werden.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur der
Schaltvorrichtung mit Genauigkeit detektiert werden, was es erlaubt,
die abnormalen Zustände
genauer zu detektieren.
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Entsprechend
dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Motorblockade und
der Kurzschluss als zwei merklich unterschiedliche Phänomene detektiert
werden. Dieses macht die Detektion der abnormalen Zustände genauer.
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Gemäß dem fünften Aspekt
der vorliegenden Erfindung kann, wenn ein temporärer Überlaststrom aufgrund der Motorblockade
auftritt, gewährleistet werden,
dass elektrische Energie dem Motor zugeführt wird, während gewährleistet ist, dass eine thermische
Zerstörung
der Schaltvorrichtung vermieden wird. Dies ermöglicht es, die Schaltvorrichtung
sicher gegen thermische Zerstörung
zu schützen.
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Gemäß dem sechsten
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Stromzuführung, bevor
es zur thermischen Zerstörung
der Schaltvorrichtung kommt, unterbrochen werden, und daher kann
die Schaltvorrichtung sicher gegen thermische Zerstörung geschützt werden.
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Die
oben beschriebenen und andere Ziele und Merkmale dieser Erfindung
werden durch die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
verdeutlicht.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform einer Motorantriebsvorrichtung
mit einer integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion
abnormaler Zustände
eines Motors;
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2 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm für
den Fall der Motorblockade, worin (A) und (B) jeweils die Differenz
(ΔTc) und
das Phasenweitenmodulations(PWM)signal zeigen; und
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3 ist
ein Zeitablaufdiagramm für
den Kurzschlussfall, worin (A) und (B) jeweils die Differenz (ΔTc) und die
Gatetreiberspannung zeigen.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert. 1 zeigt
ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
einer Motorvorrichtung, welche eine Vorrichtung zur Detektion abnormaler
Zustände
eines Motors gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst. Wie in 1 gezeigt
ist, weist die Motorvorrichtung einen Gleichstrommotor 11 auf.
Der Gleichstrommotor 11 ist ein Antriebsmotor für, als nicht
abschließendes
Beispiel, einen Kühlungsventilator
und eine in einem Automobil installierte Brennstoffpumpe. Elektrische
Energie wird von der Fahrzeugbatterie dem Gleichstrommotor 11 über eine
Sicherung 12, ein elektrisches Relais 13 und einen
Filter 14 zugeführt.
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Die
Motorvorrichtung umfasst ein FET-Modul 15. Das FET-Modul 15 umfasst
eine Schwungraddiode 16 (flywheel diode) und einen Ein-Chip-Typ-FET 17.
Der Ein-Chip-Typ-FET 17 vereint einen als Schaltvorrichtung
fungierenden Feldeffekttransistor 18 (hiernach vereinfachend „FET 18" genannt) und einen
Temperatursensorschalter 19 auf diesem einen Chip.
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Die
Schwungraddiode 16 ist mit dem Gleichspannungsmotor 11 verbunden.
Der FET 18 ist in Reihe mit dem Gleichspannungsmotor 11 verbunden und
schaltet die dem Gleichspannungsmotor 11 zugeführte elektrische
Energie ein und aus. Der schaltbare Temperatursensor 19 weist
in Reihe miteinander geschaltete Dioden auf und detektiert eine
Temperatur des FET 17.
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Die
Motorvorrichtung weist ebenso eine elektronische Steuereinheit (ECU) 20 und
eine Motorsteuervorrichtung 21 auf. Die ECU 20 erzeugt
ein Steuereingangssignals, welches die Motorsteuervorrichtung 21 mit
Informationen über,
als nicht abschließendes
Beispiel, die Luftmenge des Kühlungsventilators
aufgrund der Temperatur des Kühlmittels
und die Menge des von der Brennstoffpumpe eingespritzten Brennstoffs
aufgrund der Betätigung
des Gaspedals versorgt. Die Motorsteuereinrichtung 21 weist
einen Pulsweiten-Modulationsoszillator (hiernach vereinfachend „PWMOSC" genannt) 22 und
eine Pulsweiten-Modulationssteuereinheit
(PWM-Steuereinheit) 23.
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Der
PWMOSC 22 ist ein Oszillator zum Erzeugen beispielsweise
einer Dreieckwelle mit einer konstanten Frequenz für ein Pulsweiten-Signal(PWM-Signal).
Die PWM-Steuereinheit 23 umfasst einen Vergleicher (nicht
dargestellt) zum Vergleichen der oben angesprochenen Dreieckwelle
mit einem vorbestimmten Schwellenwert und eine Steuereinheit (nicht
dargestellt) zur Steuerung eines Arbeitszyklusses des PWM-Signals
durch Steuerung des Schwellenwertes.
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Die
Motorsteuereinrichtung 21 weist einen Effektivwertspannungsdetektor 24 (rms-Spannungsdetektor)
und einen Energieversorgungsspannungsdetektor 25 auf. Die
an dem Gleichstrommotor 11 anliegende Spannung wird dem
Effektivwertspannungsdetektor 24 zugeführt. Der Effektivwertspannungsdetektor 24 ermittelt
einen Effektivwert (root mean square, rms) der am Gleichstrommotor 11 anliegenden
Spannung aufgrund der über
die Schwungraddiode anliegenden Spannung und speist die PWM-Steuereinheit 23 mit
dem ermittelten Effektivwert.
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Der
Spannungswert der auf der Schwungraddiode 16 an der Seite
der Fahrzeugbatterie anliegenden Spannung wird dem Energieversorgungsspannungsdetektor 25 zugeführt. Der
Energieversorgungsspannungsdetektor 25 bestimmt eine Energieversorgungsspannung
basierend auf dem Spannungswert an der Seite der Fahrzeugbatterie
an der Schwungraddiode 16 und bestimmt die Energieversorgungsspannung,
die dann der PWM-Steuereinheit 23 zugeführt wird.
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Die
PWM-Steuereinheit produziert das PWM-Signal mit einem Arbeitszyklus,
dessen Effektivwertsignal, welches durch den Effektivwertspannungsdetektor 24 ermittelt
wird, mit dem Steuerungssignaleingangssignal korrespondiert. Zusätzlich über wacht
die PWM-Steuereinheit 23 die über den Energiezuführungsspannungsdetektor 25 zugeführte Energieversorgungsspannung
und erzeugt das PWM-Signal, wodurch Variationen in der Energiezuführungsspannung
ausgeglichen werden.
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Die
PWM-Signalausgabe der PWM-Steuereinheit 23 wird dem Gatetreiber 26 zugeführt. Der Gatetreiber 26 versorgt
ein Gate des FET 18 mit einer gepulsten Gatetreiberspannung,
welche dieselbe Wellenform aufweist wie das PWM-Signal. Wenn die Gatetreiberspannung
angelegt wird, wird die Drain-Source-Verbindung des FET leitend und gestattet
die Versorgung des Gleichstrommotors 11 mit elektrischer
Energie aus der Fahrzeugbatterie.
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Die
Motorvorrichtung weist einen Überlaststromdetektor 27 und
eine Gate-Klemmschaltung 28 (gate clamper) auf. Eine Drainspannung
(beispielsweise die Spannung auf der Drain-Source-Strecke) des FET 18 wird
dem Überlaststromdetektor 27 zugeführt. Der Überlaststromdetektor 27 fungiert
als ein erfindungsgemäßer Überlaststromdetektor
und beurteilt das Auftreten eines Kurzschlusses, wenn die Spannung
der Drain-Source-Strecke
einen Schwellenwert überschreitet,
und schätzt
ab, ob der regulierende Überlaststrom
größer als
ein für
den Durchfluss durch den FET 18 zulässiger Schwellwert ist. Wenn
der Überlaststromdetektor 27 entscheidet, dass
die Spannung auf der Drain-Source-Strecke größer ist als der zulässige Schwellenwert,
der das Auftreten eines Kurzschluss anzeigt, wird diese Information
durch den Überlaststromdetektor 27 an
die Gateklemmschaltung 28 übermittelt.
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Die
Gateklemmschaltung 28 ist zwischen dem Gatetreiber 26 und
dem Gateanschluss des FET 18 angeordnet. Wenn der Überlaststromdetektor 27 einen Überlaststrom
erkennt, verbindet in einem nicht begrenzenden Beispiel die Gateklemmschaltung 28 eine
Zenerdiode mit dem Source- und dem Gateanschluss des FET 18 und
damit wird die Gatetreiberspannung gezwungenermaßen auf den Wert der Zenerspannung
reduziert. Folglich wird die Gatetreiberspannung des Gatetreibers 26 auf
die Zenerspannung aufgeklemmt und der Stromfluss durch den FET 18 wird
demzufolge begrenzt.
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Die
Motorvorrichtung weist ebenso einen Referenztemperatursensor 29,
beispielsweise einen Umgebungstemperatursensor, einen ΔTc/Tj-Detektor 30 und
eine Diagnosesteuereinheit 31 auf. Der Referenztemperatursensor 29 weist
in Reihe geschaltete Dioden auf und erkennt eine Umgebungstemperatur (beispielsweise
eine Referenztemperatur).
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Die
Temperatur des FET 18 wird durch den Schaltertemperatursensor 19 und
die Umgebungstemperatur wird durch den Referenztemperatursensor 29 erkannt
und an den ΔTc/Tj-Detektor 30 gesendet.
Der ΔTc/Tj-Detektor 30 ermittelt
die Differenz (ΔT)
zwischen der Temperatur des FET 18 und der Umgebungstemperatur,
und die so erhaltene Differenz ΔT
wird der Diagnosesteuereinheit 31 zugeführt.
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Die
Diagnosesteuereinheit 31 dient als eine Motorabnormalitätszustanddetektionsvorrichtung und
erkennt abnormale Zustände
des Gleichstrommotors 11 basierend auf einem Wert der Differenz (ΔTc). Die
Diagnosesteuereinheit 31 detektiert einen ersten abnormalen
Zustand bei Motorblockade, wenn die Differenz (ΔTc) einen vorbestimmten Blockadedetektionsschwellenwert
(ΔTc – 1), beispielsweise
einen ersten Schwellenwert, überschreitet.
Als Blockadedetektionsschwellenwert (ΔTc – 1) wird die detektierte Differenz
(ΔTc) bei
Eintreten der Motorblockade festgelegt.
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Wenn
die Motorblockade erkannt wird, steuert die Diagnosesteuereinheit 31 eine
Frequenz des PWMOSC 22, so dass die Frequenz des PWMOSC 22 auf
ein Zehntel der Frequenz des Nor malzustandes umgeschaltet wird.
Die Diagnosesteuereinheit 31 gibt bei der Detektion der
Motorblockade ebenso ein Statusausgabesignal aus, welches der PWM-Steuereinheit 23 und
der ECU 20 die Motorblockade anzeigt. Wenn das Statusausgabesignal
zur Anzeige der Motorblockade der PWM-Steuereinheit 23 zugeführt wird,
verringert die PWM-Steuereinheit 23 den Arbeitszyklus des
PWM-Signals.
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Folglich
wird das PWM-Signal mit einer Frequenz gleich einem Zehntel der
Frequenz des Normalzustandes und mit einem verringerten Arbeitszyklus
aus der PWM-Steuereinheit 23 ausgegeben.
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Im
Fall, dass eine Temperaturüberschreitung des
Chips als ein zweiter abnormaler Zustand mit einer Differenz (ΔTc) größer als
ein zweiter Schwellenwert erkannt wird, beispielsweise ein Übertemperaturdetektionsschwellenwert
(ΔTc – 2), welcher
oberhalb des Blockadedetektionsschwellenwertes (ΔTc – 1) liegt, oder wenn die absolute
Temperatur (ΔTj)
einen Übertemperaturschwellenwert
(beispielsweise 150°C) überschreitet,
stoppt die Einheit 31 die Ausgabe der Gatetreiberspannung
auf dem Gatetreiber 26. Der Übertemperaturdetektionsschwellenwert (ΔTc – 2) ist
die vorgegebene Differenz (ΔTc),
welche bei Auftreten des direkten Kurzschlusses erkannt wird.
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Die
Motorvorrichtung weist einen Regler 32, eine elektrische
Relaissteuereinheit 33 und einen Master OSC 34 auf.
Der Regler 32 erzeugt eine elektrische Versorgungsspannung
für die
Motorsteuereinrichtung 21 basierend auf der Versorgungsspannung
der Fahrzeugbatterie. Die Relaissteuereinheit 33 liefert
in Abhängigkeit
eines Relaissteuereingangssignals von dem ECU 20 Energie
an die Relaisspule des elektrischen Relais 13 und schaltet
einen Relaisschalter ein. Das Einschalten des Relaisschalters des
elektrischen Relais 13 ermöglicht die Zuführung elektrischer
Energie an den Gleichstrommotor 11. Der Master OSC 34 ist
ein Oszillator zur Erzeugung eines Grundfunktionstaktsignals (basic Operation
clock signal) für
die Motorsteuereinrichtung 21.
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Die
Arbeitsweise einer Motorvorrichtung mit einer oben beschriebenen
Anordnung wird nachfolgend in Bezug auf die Zeitablaufgrafiken in 2 und 3 dargestellt.
(A) und (B) zeigen jeweils die Differenz (ΔTc) und das PWM-Signal im Fall
der Motorblockade. (A) und (B) in 3 zeigen
jeweils die Differenz (ΔTc)
und die Gatetreiberspannung im Fall des Kurzschlusses. Anfangs gibt
die ECU 20 ein Relaissteuereingangssignal an die Relaissteuereinheit 33,
so dass der Gleichstrommotor 11 mit Energie versorgt wird.
Im Normalzustand gibt die PWM-Steuereinheit 23 ein PWM-Signal
mit einem Arbeitszyklus aus, dessen Effektivwert, welcher durch
den Spannungseffektivwertdetektor 24 vorgegeben wird, mit dem
Steuereingangssignal des ECU 20 übereinstimmt.
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Bei
Auftreten der Motorblockade fließt ein Überlaststrom durch den FET 18,
welcher dazu führt, dass
die Temperatur des FET 18 ansteigt. Dieser Anstieg führt, wie
in (A) in 2 dargestellt ist, dazu, dass
die Differenz (ΔTc)
zwischen der Temperatur des FET 18 und der Umgebungstemperatur
ansteigt. Wenn die Differenz (ΔTc) über den
Blockadedetektionsschwellenwert (ΔTc – 1) ansteigt,
erkennt die Diagnosesteuereinheit 31 dabei die Motorblockade
und steuert die Frequenz des PWMOSC 22, so dass die Frequenz
des PWMOSC 22 auf ein Zehntel der Frequenz des Normalzustandes
umgeschaltet wird, und ebenso gibt die Diagnosesteuereinheit 31 ein
Statusausgabesignal zur Anzeige der Motorblockade an die PWM-Steuereinheit 23 und
die ECU 20 aus.
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Bei
Eingabe des Status-Ausgabesignals zur Anzeige der Motorblockade
an der PWM-Steuereinheit 23, verringert die PWM-Steuereinheit 23 den
Arbeitszyklus auf einen niedrigeren Wert bezogen auf den Normalzustand.
Entsprechend gibt, wie in (B) in 2 dargestellt
ist, die PWM-Steuereinheit 23 das PWM-Signal mit einer Frequenz, die einem
Zehntel der Frequenz in dem Normalzustand entspricht und einen niedrigeren
Arbeitszyklus aufweist, aus. Dieses PWM-Ausgabesignal mit einer
geringeren Frequenz und einem geringeren Arbeitszyklus verkürzt die
Zeitperiode, in der der FET 18 eingeschaltet ist, woraus
sich eine Verringerung der dem Gleichstrommotor 11 zugeführten Spannung
ergibt. Daraus wird deutlich, dass die PWM-Steuereinheit 23 und die Diagnosesteuereinheit 31 eine
Schaltersteuervorrichtung zur Unterbrechung der Versorgung der elektrischen
Energiezuführung
für den
Motor gemäß der Erfindung
darstellen.
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Eine
Herabsetzung der elektrischen Energie führt zu einer Absenkung der
Temperatur am FET 18 und dazu, dass die Differenz (ΔTc) zwischen
der Temperatur des FET 18 und der Umgebungstemperatur abnimmt.
Wenn die Differenz (ΔTc)
gleich oder geringer als der Nichtblockadedetektionsschwellenwert
(ΔTc – 1') wird, wird die
Diagnosesteuereinheit 31 aus dem Motorblockadedetektionszustand
herausgenommen und die PWMOSC 22-Signalausgabe schaltet wieder auf die
Frequenz des Normalzustandes. Die Diagnosesteuereinheit 31 unterbindet
dann die Ausgabe des Statusausgabesignals zum Anzeigen der Motorblockade
an die PWM-Steuereinheit 23 und die ECU 20.
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Wenn
das Statusausgabesignal zum Anzeigen der Motorblockade nicht mehr
ausgegeben wird, setzt die PWM-Steuereinheit 23 den Arbeitszyklus
in den Normalzustand des PWM-Signals zurück. Danach wird das PWM-Signal,
wie es in (B) in 2 dargestellt ist, in dem Normalzustand
ausgegeben. Wenn, nachdem das PWM-Signal wieder die Frequenz und
den Arbeitszyklus entsprechend dem Normalzustand aufweist, die Motorblockade
weiterhin vorliegt, überschreitet
die Differenz (ΔTc)
den Blockadedetektionsschwellenwert (ΔTc – 1) und die Diagnosesteu ereinheit 31 erkennt
weiterhin die Motorblockade. Danach wird das PWM-Signal einer Frequenz gleich
einem Zehntel der Frequenz im Normalzustand und wechselweise wird
ein Signal mit verringertem Arbeitszyklus und das PWM-Signal für den Normalzustand
ausgegeben, bis die Motorblockade überwunden ist. Die oben beschriebene
Arbeitsweise zeigt, dass der FET 18 mit einer Differenz
zwischen der Temperatur der Schaltvorrichtung und der Umgebungstemperatur
betrieben wird, die größer als
der Blockadedetektionsschwellenwert ist.
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Nun
auf 3 Bezug nehmend, wenn bei Eintreten des direkten
Kurzschlusses die Spannung der Gate-Source-Strecke des FET 18 der
Schwellenwert zur Beurteilung des Auftretens eines Kurzschlusses übersteigt
und der Überlaststromdetektor 27 das
Auftreten des Kurzschlusses erkennt und die Gate-Klemmschaltung 28 aktiviert,
so dass die Gatespannung des FET 18 auf die Zenerspannung
mittels des nicht begrenzenden Beispiels einer Zenerdiode aufgeklemmt
wird, und damit den durch den FET 18 fließenden Strom
begrenzt, weil der Überlaststrom größer als
der elektrische Strom, der durch den FET 18 im Fall der
Motorblockade fließt,
ist, erhöht
sich die Temperatur des FET 18 abrupt. Dieses, wie dargestellt
in (A) in 3, verursacht den steilen Anstieg der
Differenz (ΔTc)
zwischen der Temperatur des FET 18 und der Umgebungstemperatur.
Wenn die Differenz (ΔTc)
größer wird
als der Übertemperatur-Detektionsschwellenwert
(ΔTc – 2), erkennt
die Diagnosesteuereinheit 31 das Auftreten einer Übertemperatur
an dem Chip und verhält
sich erfindungsgemäß wie eine
Unterbrechungsvorrichtung und unterbricht die Gate-Treiberspannungausgabe
an dem Gatetreiber 26.
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Der
FET 18 wird bei Stoppen der Ausgabe der Gatetreiberspannung
abgeschaltet. Dieses verursacht auch ein Stoppen der Energiezufuhr
zum elektrischen Gleichstrommotor 11, was eine Unterbrechung
des Stromflusses durch den FET 18 bewirkt. Das Stoppen
des durch den FET 18 fließenden Stroms verursacht einen
Abfall der Temperatur des FET 18 und führt zu einer verminderten Differenz (ΔTc) zwischen
der Temperatur des FET 18 und der Umgebungstemperatur.
Die Diagnosesteuereinheit 31 hält den Stoppzustand der Gatetreiberspannungsausgabe
bis ein Zündungsschalter
ausgeschaltet wird, sogar wenn die Differenz (ΔTc) abnimmt und gleich oder
weniger als der undetektierte Übertemperaturschwellenwert
(ΔTc – 2') oder der Nichtblockadedetektionsschwellenwert
(ΔTc – 1') wird.
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Zusätzlich gibt
die Diagnosesteuereinheit 31 ein einen Kurzschluss anzeigendes
Statusausgabesignal an die PWM Steuereinheit 23 und die
ECU 20 ab. Die PWM Steuereinheit 23 unterbricht
die Ausgabe des PWM Signals, wenn das den Kurzschluss anzeigende
Statusausgabesignal ausgegeben wird.
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Zusätzlich,
wie oben erwähnt,
wird, wenn die absolute Temperatur (Tj) des FET 18 einen
Schwellenwert überschreitet,
die Unterbrechung der Gate-Treiber-Spannungausgabe durch die Diagnosesteuereinheit 31 beibehalten
bis der Zündungsschalter
ausgeschaltet ist.
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Die
oben beschriebene Motorvorrichtung detektiert den abnormalen Zustand
in dem Gleichstrommotor 11 basierend auf der Differenz
(ΔTc) zwischen der
Temperatur des FET 18 und der Umgebungstemperatur, beispielsweise
eine durch Kompensation der Umgebungstemperatur erhaltene Temperatur
des FET 18. Dieses ermöglicht
einen abnormalen Zustand in dem Gleichstrommotor 11 ohne
eine Beeinflussung der Umgebungstemperatur exakt zu detektieren.
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In
der oben beschriebenen Motorvorrichtung bleibt eine Detektion des
abnormalen Zustandes möglich
und kann die thermische Zerstörung
des FET 18 vermieden werden, sogar wenn ein Zwischenschichtkurzschluss
auftritt oder wenn der Wärmeabstrah lungseffizient
des FET 18 mit zunehmender Alterung abnimmt. Der Überstromlastdetektor 27 kann
im Fall eines Zwischenschichtkurzschlusses, bei dem ein sofortiger
oder kleiner Überlaststrom durch
den FET 18 fließt,
das Auftreten von Überlaststrom
nicht erkennen. Trotzdem detektiert in Antwort auf einen Temperaturanstieg
des FET 18 aufgrund des Zwischenschichtkurzschlusses die
Diagnosesteuereinheit 31 die ansteigende Differenz (ΔTc) und stellt
somit die Vollständigkeit
der Detektion abnormaler Motorzustände sicher.
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Ebenfalls
kann in einigen Fällen
die Temperatur des FET 18 aufgrund eines nicht als Überlaststrom
durch den Überlaststromdetektor 27 detektierbaren
Anstiegs des Stromflusses aufgrund der abnehmenden Wärmeabstrahlungseffizient
des FET 18 durch Alterung zunehmen. Sogar in solchen Fällen ist die
Diagnosesteuereinheit 31 fähig, die anwachsende Differenz
(ΔTc) zu
detektieren, welche aus dem Temperaturanstieg des FET 18 resultiert,
und folglich eine erfolgreiche Detektion abnormaler Motorzustände zu erzielen.
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Die
oben beschriebene Motorvorrichtung weist einen FET 18 und
einen Schaltertemperatursensor 19 auf, welche beide auf
einem Chip angeordnet sind, und ist fähig die Temperatur des FET 18 mit Präzision zu
erkennen und erreicht eine verbesserte Genauigkeit in der Detektion
abnormaler Zustände des
Gleichstrommotors 11.
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Die
oben beschriebene Motorvorrichtung erkennt die Motorblockade, wenn
die Differenz (ΔTc) zwischen
der Temperatur des FET 18 und der Umgebungstemperatur den
Blockadedetektionsschwellenwert (ΔTc – 1) überschreitet,
während
sie einen Kurzschluss detektiert, wenn die Differenz (ΔTc) den Übertemperaturdetektionsschwellenwert
(ΔTc – 2) überschreitet.
Deshalb ist die oben beschriebene Motorvorrichtung fähig, zwischen
einer Motorblockade und einem Kurzschluss zu unterscheiden, was eine
exakte Detektion abnormaler Zustände
des Gleichstrommotors 11 ermöglicht.
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In
der oben beschriebenen Motorvorrichtung reduzieren die Diagnosesteuereinheit 31 und
die PWM Steuereinheit 23 wenn das Auftreten der Motorblockade
detektiert wird, die elektrische Energiezufuhr zu dem Gleichstrommotor
durch Ausgabe des PWM Signals mit einer niedrigeren Frequenz und
einem niedrigeren Arbeitszyklus an den FET 18. Deshalb
kann bei Auftreten eines temporären Überlaststromes
aufgrund der Motorblockade die Energiezufuhr zum Gleichstrommotor 11 in
einer Weise aufrecht erhalten bleiben, dass der FET 18 auf
sicher gegen thermische Zerstörung
geschützt
ist.
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In
der oben beschriebenen Motorvorrichtung wird, wenn die Diagnosesteuereinheit 31 das
Auftreten eines Kurzschlusses detektiert, die Gate-Treiberspannungsausgabe
von dem Gatetreiber 26 zum Ausschalten des FET 18 gestoppt
und die Zuführung elektrischer
Energie zum Gleichstrommotor 11 unterbrochen. Durch Abschneiden
der Zuführung
elektrischer Energie zum Gleichstrommotor 11 wird der Gleichstrommotor 11 sicher
gegen thermische Zerstörung
geschützt.
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Obwohl
ein FET als eine Schaltvorrichtung in der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform
eingesetzt wird, bedeutet dieses nicht, dass erfindungsgemäß ausschließlich nur
ein FET eingesetzt werden kann. Als nicht begrenzendes Beispiel
kann jede Schaltvorrichtung, wie beispielsweise ein Transistor,
mit der Fähigkeit
zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Energiezuführung für den Gleichstrommotor
als erfindungsgemäße Motorvorrichtung
eingesetzt werden.
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Obwohl
Dioden in der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform als Schaltertemperatursensor
und als Referenztemperatursensor 29 benutzt werden, bedeutet
dies nicht, dass der Einsatz von Dioden in Bezug auf die vorliegende
Erfindung zwingend ist. Als nicht begrenzendes Beispiel können andere
Vorrichtungen mit Fähigkeit
zur Erkennung einer Temperatur, wie zum Beispiel eine Temperatursäule oder
ein Widerstandstemperaturdetektor (RTD), ebenso als eine erfindungsgemäße Motorvorrichtung
eingesetzt werden.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform steuern
die PWM Steuereinheit 23 und die Diagnosesteuereinheit 31 das
PWM Signal in solch einer Weise, dass das PWM Signal eine Frequenz
gleich einem Zehntel der Frequenz des Normalzustandes und einen
geringen Arbeitszyklus bei Detektion der Motorblockade aufweist.
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Jedoch,
schließt
die vorliegende Erfindung nicht andere Möglichkeiten der Ausführung aus.
Im Rahmen eines nicht begrenzenden Beispiels ist unter anderem eine
mögliche
Implementierung das Unterbrechen des dem Gleichstrommotor 11 zugeführten elektrischen
Stroms durch Abschalten des FET 18 in Antwort auf die den
Blockadedetektionsschwellenwert (ΔTc – 1) übersteigende
Differenz (ΔTc),
welche so lange gehalten werden sollte, bis die Differenz (ΔTc) kleiner
als der Nichtblockadedetektionsschwellenwert (ΔTc – -1') wird.
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Es
sei angemerkt, dass die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine typische von mehreren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist und deshalb die vorliegende Erfindung
nicht auf die in den vorangegangenen Abschnitten beschriebene Ausführungsform
beschränkt
ist. Verschiedene Abänderungen
und Modifikationen können
insofern an der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, als sie den Geist
und den Bereich der Erfindung, wie er hierin ausgedrückt wird,
nicht verlassen.