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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Steuervorrichtung zum Ansteuern einer Motorgruppe. Die Motorgruppe umfasst zumindest zwei parallel geschaltete Motorzweige. Jeder Motorzweig umfasst einen Elektromotor und eine dazu seriell verschaltete Schalteinheit zur Auswahl eines durch die Steuervorrichtung anzusteuernden Elektromotors.
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Motorgruppen werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um eine elektromotorische Sitzverstellung in mehreren Richtungen mit möglichst geringem Ansteueraufwand realisieren zu können. Hierzu ist für eine Mehrzahl an Elektromotoren eine gemeinsame Steuervorrichtung vorgesehen. Hieraus ergibt sich, dass pro Motorgruppe immer nur ein Elektromotor zeitgleich angesteuert werden kann. Der anzusteuernde Elektromotor wird durch die Schalteinheit, welche auch als Längsschalter bezeichnet wird, innerhalb der Motorgruppe ausgewählt bzw. aktiviert.
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In einer jedem Elektromotor zugeordneten Schalteinheit werden üblicherweise Relais zum Aktivieren bzw. Auswählen des zugeordneten Elektromotors eingesetzt. Nachteilig ist, dass mit Relais realisierte Schalteinheiten eine begrenzte Anzahl an Schaltzyklen aufweisen, Schaltgeräusche verursachen und einen großen Bauraum beanspruchen.
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Aus der gattungsbildenden
US 2003/0080700 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einer Steuervorrichtung zum Ansteuern einer Motorgruppe bekannt. Die Motorgruppe umfasst zumindest zwei parallel geschaltete Motorzweige. Jeder Motorzweig umfasst einen Elektromotor und eine dazu seriell verschaltete Schalteinheit zur Auswahl eines durch die Steuervorrichtung anzusteuernden Elektromotors. Eine jeweilige Schalteinheit umfasst zwei gegeneinander in Serie verschaltete Halbleiterschaltelemente, wobei der Elektromotor des betreffenden Motorzweigs zwischen den zwei Halbleiterschaltelementen angeordnet ist.
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Aus der
CA 2 789 419 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der zwei Transistoren über eine Wechselstromversorgung betrieben werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung baulich und/oder funktionell zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst eine Steuervorrichtung zum Ansteuern einer Motorgruppe mit zumindest zwei parallel geschalteten Motorzweigen. Jeder Motorzweig umfasst einen Elektromotor und eine dazu seriell verschaltete Schalteinheit zur Auswahl eines durch die Steuervorrichtung anzusteuernden Elektromotors. Dabei umfasst die Schalteinheit zwei gegeneinander in Serie verschaltete Halbleiterschaltelemente. Erfindungsgemäß ist zwischen den miteinander verbundenen Steueranschlüssen der beiden Halbleiterschaltelemente und den miteinander verbundenen Hauptanschlüssen ein gemeinsamer Ableitwiderstand verschaltet, über den die zwei Halbleiterschaltelemente gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet werden können. Weiterhin ist zwischen den miteinander verbundenen Hauptanschlüssen der beiden Halbleiterschaltelemente und einem Bezugspotential ein weiterer Ableitwiderstand verschaltet und erfolgt eine Ansteuerung der beiden Halbleiterschaltelemente bzw. der Schalteinheit eines jeweiligen Motorzweigs über eine zugeordnete Konstantstromquelle.
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Das Ersetzen von Relais in der Schalteinheit durch Halbleiterschaltelemente ermöglicht größere Freiheiten bei der Layout-Entwicklung der Schaltungsanordnung eines entsprechenden Steuergerätes. Aufgrund der geringeren Größe von Halbleiterschaltelementen gegenüber Relais kann sich eine Platzersparnis für die Schalteinheit ergeben. Außerdem kann die Betriebsdauer der Schaltungsanordnung verlängert werden, da keine Begrenzung mehr bezüglich der Anzahl der Schaltzyklen wie bei Relais besteht.
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Vorzugweise sind die Halbleiterschaltelemente steuerbare Feldeffekttransistoren. Insbesondere kommen hierbei n-Kanal-MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistor: MOSFET) zum Einsatz, da diese gegenüber p-Kanal-MOSFETs ein besseres Verhältnis zwischen Einschaltwiderstand und Preis aufweisen. Unabhängig hiervon ist jedoch prinzipiell auch die Verwendung von p-Kanal-MOSFETs in der erfindungsgemäß realisierten Schalteinheit möglich.
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Bei den gegeneinander in Serie verschalteten Halbleiterschaltelementen sind, sofern die Halbleiterschaltelemente als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind, deren Source-Anschlüsse miteinander verbunden. Der gemeinsame Ableitwiderstand stellt einen Gate-Source-Widerstand dar, dessen über ihm abfallende Spannung an den Gate-Source-Strecken der beiden Feldeffekttransistoren anliegt, mittels der diese geschaltet werden können.
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Durch das Vorsehen des weiteren Ableitwiderstandes zwischen den miteinander verbundenen Source-Anschlüssen und dem Bezugspotential kann - bei der Realisierung mit Feldeffekttransistoren - die Auswahl eines zu aktivierenden Motorzweigs vor einem Schaltvorgang durch die Steuervorrichtung bzw. unabhängig von Spannungsverhältnissen in der Steuervorrichtung zum Ansteuern des Elektromotors erfolgen. Der weitere Ableitwiderstand ermöglicht ein definiertes Einschalten der Halbleiterschaltelemente unabhängig von den in der Steuervorrichtung herrschenden Schaltzuständen.
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Indem eine Ansteuerung der beiden Halbleiterschaltelemente bzw. der Schalteinheit eines jeweiligen Motorzweigs über eine zugeordnete Konstantstromquelle erfolgt, kann die Ansteuerung unabhängig von anderen Potentialen erfolgen. Insbesondere sind dann Schaltzustände und Potentialverhältnisse der gemeinsamen Steuervorrichtung der Motorgruppe nicht zu berücksichtigen. Dabei kann die Konstantstromquelle Teil der Steuervorrichtung sein. Ebenso kann die einem jeweiligen Motorzweig zugeordnete Konstantstromquelle als gesonderte Baukomponente unabhängig von der Steuervorrichtung realisiert sein. Eine jeweilige Konstantstromquelle ist mit den Steueranschlüssen der Halbleiterschaltelemente der Schalteinheit verbunden. Ist zusätzlich der weitere Ableitwiderstand vorgesehen, so bleibt die Höhe der Gate-Source-Spannung aufgrund des von der Konstantstromquelle eingespeisten Stroms unabhängig davon, in welchem Zustand sich die Steuervorrichtung befindet.
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Die sämtliche Motorzweige steuernde Steuervorrichtung weist gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung eine Schaltvorrichtung zum Einschalten eines der Elektromotoren auf, welcher über die zugeordnete Schalteinheit ausgewählt ist.
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Die Schaltvorrichtung der Steuervorrichtung ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung derart ausgebildet, dass der gerade angesteuerte Elektromotor in beide Drehrichtungen betrieben werden kann. Hierzu weist die Steuervorrichtung eine Einrichtung zur Polwendung zur Drehrichtungsumkehr des aktiven Elektromotors auf.
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Hierzu kann der Polwender der Schaltvorrichtung mit Relais realisiert sein, wobei zwei Umschalter oder vier Einzelschalter erforderlich sind. Ebenso ist es möglich, den Polwender der Schaltvorrichtung mit Halbleitern zu realisieren. Hierzu werden üblicherweise Feldeffekt gesteuerte Halbleiterschaltelemente (MOSFETs) eingesetzt. Der Polwender kann wahlweise als Vollbrücke oder aus zwei Halbbrücken bestehen. Grundsätzlich sind bei beiden Varianten vier Halbleiterschaltelemente erforderlich.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Steuervorrichtung eine Einrichtung zum Kurzschließen der Anschlüsse des gerade aktiven Elektromotors umfasst, um diesen definiert abzubremsen. Dies ist insbesondere beim Einsatz der Schaltungsanordnung bei Sitzverstellmotoren in Kraftfahrzeugen zweckmäßig, da die Sitzverstellmotoren bei deren Abschaltung möglichst schnell und definiert zum Stillstand gebracht werden sollen, damit das optimale Erreichen einer gewünschten Zielposition möglich ist. Dies wird durch aktives Kurzschließen der Motoranschlüsse nach dessen Abschaltung realisiert, um den Elektromotor in einen generatorischen Betrieb überzuführen und dessen Bremsmoment auszunutzen.
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Es kann weiterhin zweckmäßig sein, wenn die Steuervorrichtung eine Einrichtung zur Drehzahlbeeinflussung des aktiven Elektromotors durch Einstellung der an den Motoranschlüssen anliegenden Spannung aufweist. Eine Drehzahlsteuerung der Elektromotoren kann beispielsweise durch ein Ein- und Ausschaltverhältnis der an den Motoranschlüssen anliegenden Spannung realisiert werden. Dies wird als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet. Hierbei kann in bekannter Weise das Rechteck-Ausgangssignal eines Pulsweitenmodulators direkt an die Anschlüsse des Elektromotors geschaltet werden. Ebenso kann über eine entsprechende Filterung das Rechteck-Ausgangssignal zunächst zu einer Gleichspannung gewandelt und dann an die Motoranschlüsse gelegt werden. Ist die Schaltvorrichtung mit Relais realisiert, um unterschiedliche Drehrichtungen des Elektromotors realisieren zu können, so wird ein Pulsweitenmodulator dem Polwender vorgeschaltet. Ist die Steuervorrichtung mittels einer Halbleiter-Vollbrücke realisiert, so kann der Pulsweitenmodulator einer Vollbrücke des Polwenders vorgeschaltet oder durch die Vollbrückenschaltung selbst dargestellt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Motorgruppe, und
- 2 eine Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Ansteuern einer Motorgruppe mittels Schalteinheiten in einer jeweiligen Motorgruppe.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 1, bei der mittels einer gemeinsamen Steuervorrichtung 10 eine Motorgruppe 20 mit beispielhaft drei parallel geschalteten Motorzweigen 21, 24, 27 angesteuert wird. Jeder der Motorzweige 21, 24, 27 umfasst einen Elektromotor 22, 25, 28 und eine dazu seriell verschaltete Schalteinheit 23, 26, 29. Die Schalteinheit 23, 26, 29, welche durch die Steuervorrichtung 10 angesteuert wird, dient dazu, zu einem jeweiligen Zeitpunkt einen der Motorzweige 21, 24, 27 bzw. einen der Elektromotoren 22, 25, 28 auszuwählen. Zu diesem Zweck wird ein in der Schalteinheit 23, 26, 29 enthaltenes Schaltelement leitend geschaltet, während die Schaltelemente der anderen Schalteinheiten zu diesem Zeitpunkt geöffnet bleiben.
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Die Steuervorrichtung 10 ist pro Motorgruppe 20 lediglich ein einziges Mal vorhanden und kann mit Relais, Halbleiterschaltelementen oder einer Kombination aus Relais und Halbleiterschaltelementen aufgebaut sein. Die Steuervorrichtung 10 beinhaltet eine Schaltvorrichtung 11 zum Einschalten eines durch eine Schalteinheit ausgewählten Elektromotors, eine Einrichtung 14 zur Polwendung, d.h. der Drehrichtungsumkehr des Elektromotors, eine Einrichtung 12 zum Bremsen des Elektromotors durch Kurzschließen seiner Motoranschlüsse und kann eine optionale Einrichtung 13 zur Drehzahlbeeinflussung des gerade aktiven Elektromotors durch die Änderung der Spannung an seinen Motoranschlüssen enthalten.
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Bei den Elektromotoren 22, 25, 28 handelt es sich um solche Motoren, welche in beide Richtungen betrieben werden können. Zur entsprechenden Ansteuerung eines ausgewählten Elektromotors dient die Einrichtung 14 zur Polwendung, die mit Relais oder mit Halbleiterschaltelementen in der Steuervorrichtung 10 ausgebildet sein kann. Bei der Realisierung mit Relais sind wahlweise zwei Umschalter oder vier Einzelschalter erforderlich. Bei der Realisierung mit Halbleiterschaltelementen, in der Regel MOSFETs, kann die Einrichtung 14 wahlweise eine Vollbrücke oder zwei Halbbrücken umfassen. Grundsätzlich sind hierbei vier Leistungs-Halbleiterschaltelemente erforderlich.
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Um einen ausgewählten, aktiven Elektromotor bei dessen Abschaltung möglichst schnell und definiert zum Stillstand bringen zu können, damit das Erreichen einer Zielposition optimal möglich ist, dient die Einrichtung 12 zum aktiven Kurzschließen der Motoranschlüsse nach dessen Abschaltung. Durch diese kann der Elektromotor in einen generatorischen Betrieb gebracht werden, wobei ein dabei erzeugtes Bremsmoment für den schnellen Stillstand ausgenutzt werden kann.
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Ist eine Drehzahlsteuerung der Elektromotoren 22, 25, 28 erforderlich, so kann diese mittels Taktstufen realisiert werden, bei denen das Ein- und Ausschaltverhältnis gesteuert wird. Dies wird als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet. Hierbei kann das Rechteck-Ausgangssignal eines Pulsweitenmodulators direkt auf den ausgewählten aktiven Elektromotor geschaltet werden. Ebenso kann das Rechteck-Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators zuvor zu einer Gleichspannung gewandelt werden. Bei einer Polwender-Einrichtung mit Relais wird die Pulsweitenmodulation vorgeschaltet. Bei einer Polwender-Einrichtung mit Halbleiterschaltelementen kann sie vorgeschaltet oder durch die Halbleiteranordnung selbst dargestellt sein.
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Die Schaltvorrichtung 11 zum Einschalten des durch eine Schalteinheit 23, 26, 29 ausgewählten Elektromotors 22, 25, 28 kann durch Relais oder Halbleiterschaltelemente realisiert werden.
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Die konkrete Ausgestaltung der Steuervorrichtung 10 ist für die erfindungsgemäße Realisierung der nachfolgend näher beschriebenen Schalteinheiten von untergeordneter Bedeutung und kann von einem Fachmann in geeigneter Weise realisiert werden.
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2 zeigt die in 1 beschriebene Schaltungsanordnung, wobei die Schalteinheiten 23, 26, 29 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung realisiert sind. Da der Aufbau der Schalteinheiten 23, 26, 29 für jeden Motorzweig 21, 24, 27 identisch ist, sind lediglich die Komponenten der Schalteinheit 23 mit Bezugszeichen versehen.
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Die Schalteinheit 23 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst zwei gegeneinander in Serie verschaltete n-Kanal-MOSFETs 30, 31. Gegeneinander in Serie verschaltet bedeutet, dass deren Source-Anschlüsse S und deren Gate-Anschlüsse G jeweils miteinander verbunden sind. Zwischen den Source-Anschlüssen S und den Gate-Anschlüssen G der MOSFETs 30, 31 ist ein als Ableitwiderstand dienender Gate-Source-Widerstand 32 verschaltet. Zusätzlich ist ein weiterer Ableitwiderstand 33 zwischen den Source-Anschlüssen S der MOSFETs 30, 31 und einem Bezugspotential verschaltet. Die Gate-Anschlüsse G sind mit einem Steueranschluss 34 verbunden, an den vorzugsweise eine Konstantstromquelle angeschlossen ist.
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Zum Aktivieren einer Schalteinheit wird durch die (nicht dargestellte) Konstantstromquelle an den Steueranschluss 34 ein definierter Strom gelegt, welcher über den Widerstand 32 und den Widerstand 33 Richtung Bezugspotential fließen kann. Infolgedessen baut sich über dem Widerstand 32 eine definierte Gate-Source-Spannung auf, so dass die MOSFETs 30, 31 eingeschaltet werden. Sobald der von der Konstantstromquelle am Steueranschluss 34 angelegte Strom abgeschaltet wird, fällt die über den Widerstand 32 abfallende Spannung unterhalb einer Einschaltspannung der MOSFETs, so dass diese wiederum ausschalten. Der Widerstand 32 dient damit auch zum Sperren der MOSFETs 30, 31 im abgeschalteten Zustand.
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Der Widerstand 33 ermöglicht den Aufbau der Gate-Source-Spannung der MOSFETs 30, 31 auch bei ausgeschalteter bzw. hochohmig geschalteter Steuervorrichtung 10. Durch den Widerstand 33 ist ein Einschalten der MOSFETS 30, 31 unabhängig vom Schaltzustand der Steuervorrichtung 10 gewährleistet. Insbesondere ist mit Vorteil keine Beschaltung der Halbleiterschaltelemente der Schalteinheit gegen Überlast oder Übertemperatur erforderlich.
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Die in 2 dargestellten Schalteinheiten sind mit bevorzugten n-Kanal-MOSFETs realisiert. Hierdurch kann die Schalteinheit kostengünstiger niederohmig realisiert werden. Ebenso könnten stattdessen auch p-Kanal-MOSFETs eingesetzt werden. Hierzu müsste die Beschaltung in einer dem Fachmann bekannten Weise entsprechend angepasst werden.
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Durch die gegeneinander in Serie verschalteten Halbleiterschaltelemente ist bei ausgeschalteten Halbleiterschaltelementen sichergestellt, dass unabhängig von der Polarität eines anderen aktiv ausgewählten Motorzweiges immer eine der (nicht dargestellten) Reversdioden der MOSFETs 30, 31 in Sperrrichtung liegt. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Strom durch einen Motorzweig immer nur dann fließen kann, wenn die MOSFETs 30, 31 mit einer entsprechenden Gate-Source-Spannung beaufschlagt sind.
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Das eigentliche Einschalten, Abschalten und Bremsen eines durch eine Schalteinheit aktiv ausgewählten Elektromotors erfolgt durch die Steuervorrichtung 10. Um auf eine Überlast- und/oder Übertemperaturbeschaltung der Halbleiterschaltelemente 30, 31 der Schalteinheiten 23, 26, 29 verzichten zu können, müssen diese vor dem eigentlichen Einschalten des aktiv ausgewählten Motorzweigs 21, 24, 27 eingeschaltet werden. Die Gate-Source-Spannung muss hierbei oberhalb der erforderlichen Gate-Threshold-Spannung der eingesetzten MOSFETs liegen. Dies ist durch das Vorsehen des Widerstands 33 sicher gestellt.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schalteinheiten lassen sich bei geringem Gewicht realisieren. Die gesamte Schaltungsanordnung lässt sich mit geringem Platz, insbesondere geringerer Bauteilhöhe im Vergleich zu Relais realisieren. Insgesamt erhält man durch die Verwendung von Halbleiterschaltelementen größere Freiheiten bei der Layout-Entwicklung der Schaltungsanordnung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanorndung
- 10
- Steuervorrichtung
- 11
- Schaltvorrichtung zum Einschalten eines Elektromotors
- 12
- Einrichtung zum Kurzschliessen der Motoranschlüsse des aktiven Elektromotors
- 13
- Einrichtung zur Drehzahlbeeinflussung des aktiven Elektromotors
- 14
- Einrichtung zur Polwendung
- 20
- Motorgruppe
- 21
- Motorzweig
- 22
- Elektromotor
- 23
- Schalteinheit
- 24
- Motorzweig
- 25
- Elektromotor
- 26
- Schalteinheit
- 27
- Motorzweig
- 28
- Elektromotor
- 29
- Schalteinheit
- 30
- Halbleiterschaltelement (MOSFET)
- 31
- Halbleiterschaltelement (MOSFET)
- 32
- Ableitwiderstand (Gate-Source-Widerstand)
- 33
- weiterer Ableitwiderstand
- 34
- Steueranschluss
