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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anlaufstrombegrenzung eines DC-Motors für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Elektromotoren, insbesondere DC-Motoren zum Verstellen von Antrieben in Kraftfahrzeugen, bspw. zum Verstellen einer elektrischen Parkbremse, von Fenstern oder einem Schiebedach werden in der Regel über eine H-Brücke aus Halbleiterschaltern, wie bspw. MOSFET's gesteuert oder geregelt.
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Um die Spannung auf dem Bordnetz eines Fahrzeugs vor kurzzeitigen Unterspannungen zu schützen, werden solche DC-Motoren in der Anlaufphase üblicherweise getaktet angesteuert, bspw. mittels eines PWM-Signals oder durch einfaches An- und Ausschalten. Dies reduziert zwar die kurzzeitige Stromaufnahme aus dem Bordnetz, verursacht jedoch EMV-Störabstrahlungen. Dies führt insbesondere bei einer elektrischen Parkbremse zu Problemen, da deren Steuereinheit zentral, bspw. im Motorraum sitzt und daher diese DC-Motoren über lange Leitungen angeschlossen sind. Dies führt dazu, dass diese langen Leitungen wie Antennen wirken und diese EMV-Störabstrahlung verstärken und im gesamten Bereich des Fahrzeugs verteilen. Zudem verhindert die PWM-Ansteuermethode nicht das Auftreten von kurzzeitigen Stromspitzen, die die Motormagnete entmagnetisieren können. Hierzu reicht das einmalige Erreichen des Entmagnetisierungsstromes aus.
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Aus der
DE 10 2006 051 722 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Steuerung einer Last in einem Kraftfahrzeugbremssystem, wie bspw. eines Hydraulikpumpenmotors oder eines Bremskraftverstärkers bekannt. Diese Schaltungsanordnung umfasst einen MOSFET-Halbleiterschalter, welcher zwischen einer Versorgungsspannung und durch Low-Side-Treiber getriebene Lasten geschaltet ist. Dieser MOSFET-Halbleiterschalter wird bei Auftreten von Überspannung im Bordnetz des Fahrzeugs als Spannungsregler betrieben, indem er aus dessen Linearbereich in dessen Sättigungsbereich gesteuert wird. Dadurch kann der Betrag einer Leistung, welcher aufgrund der Überspannung entsteht, durch diesen MOSFET-Halbleiterschalter in Wärme umgewandelt werden. Wenn keine Überspannung vorhanden ist, wird dieser MOSFET-Halbleiterschalter im linearen Bereich wie ein Schalter betrieben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem die oben genannten Nachteile, insbesondere das Entstehen einer EMV-Störstrahlung verhindert und eine Entmagnetisierung der Motormagnete vermieden wird. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solches Verfahren zur Anlaufstrombegrenzung eines DC-Motors für ein Fahrzeug, bei dem mittels einer aus Halbleiterschaltern aufgebauten Halb- oder Vollbrückenschaltung der DC-Motor gesteuert wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass wenigstens ein Halbleiterschalter der Halb- oder Vollbrückenschaltung während der Anlaufphase des DC-Motors zur Steuerung des von dem Halbleiterschalter erzeugten Anlaufstromes als ohmscher Widerstand geregelt wird, indem in Abhängigkeit eines detektierten Motorstromes ein mittels einer Anlaufstromsteuerschaltung erzeugtes Anlaufstromsteuersignal der Steuerelektrode des wenigstens einen Halbleiterschalters zugeführt wird.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein Feldeffekttransistor neben seiner Funktion als elektronischer Schalter, bei der der Kanalwiderstand zwischen seinem Maximalund seinem Minimalwert umgeschaltet wird, auch als steuerbarer Widerstand verwendet werden kann. Damit kann einer der Halbleiterschalter der Halb- oder Vollbrücke mit dem Einschalten als veränderbarer Widerstand betrieben und so angesteuert werden, dass der Anlaufstrom des DC-Motors auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird. Dies stellt eine Analogsteuerung dar, so dass hierdurch keine EMV-Störabstrahlung erzeugt wird.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass für den DC-Motor billigeres Magnetmaterial verwendet werden kann, da es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, den Strom analog und sehr schnell durch den DC-Motor zu begrenzen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels eines in den Brückenzweig des einen Halbleiterschalters geschalteten Stromshunts ein Spannungssignal erzeugt und der Anlaufstromsteuerung zugeführt. Vorzugsweise umfasst gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Anlaufstromsteuerschaltung einen Verstärker, welchem das Spannungssignal zugeführt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers einem Tiefpassfilter der Anlaufstromsteuerschaltung zugeführt wird.
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So ist nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Verstärker nichtinvertierend ausgebildet wird, das Ausgangssignal des Tiefpassfilters einem steuerbaren Spannungsteiler zugeführt wird und mittels des steuerbaren Spannungsteilers das Anlaufstromsteuersignal erzeugt wird. Eine solche Anlaufstromsteuerschaltung bietet den Vorteil, dass das Ausgangssignal des Tiefpassfilters auch zur Regelung der Halbleiterschalter der Halb- oder Vollbrückenschaltung nach der Anlaufphase des DC-Motors verwendet werden kann, d.h. der Stromshunt in diesem Fall zusätzlich auch zur Strommessung dient.
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Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Verstärker invertierend ausgebildet wird und das Ausgangssignals des Tiefpassfilters als Anlaufstromsteuersignal der Steuerelektrode des wenigstens einen Halbleiterschalters zugeführt wird.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
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Eine solche Schaltungsanordnung zur Anlaufstrombegrenzung eines DC-Motors für ein Fahrzeug mit einer aus Halbleiterschaltern aufgebauten Halb- oder Vollbrückenschaltung zur Steuerung des DC-Motors zeichnet sich dadurch aus, dass eine Anlaufstromsteuerschaltung vorgesehen ist, welche ausgebildet ist in Abhängigkeit eines mittels eines Stromshunts detektierten Motorstromes ein Anlaufstromsteuersignal zu erzeugen, welches wenigstens einen Halbleiterschalter der Halb- oder Vollbrückenschaltung während der Anlaufphase des DC-Motors als ohmschen Widerstand regelt.
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Diese erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist auch die im Zusammenhang mit der erstgenannten Lösung aufgeführten Vorteile auf.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anlaufstromsteuerschaltung einen Verstärker mit einem demselben nachgeschalteten Tiefpassfilter.
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Dieser Verstärker ist weiterbildungsgemäß ein nichtinvertierender Verstärker, wobei dem Tiefpassfilter ein steuerbarer Spannungsteiler nachgeschaltet, der ausgebildet ist das Anlaufstromsteuersignal zu erzeugen.
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Alternativ ist weiterbildungsgemäß der Verstärker ein invertierender Verstärker, wobei der Tiefpassfilter ausgebildet ist das Anlaufstromsteuersignal zu erzeugen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Ansteuerung eines DC-Motors mit einer erfindungsgemäßen Anlaufstromsteuerschaltung,
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2 eine detaillierte Schaltungsanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Anlaufstromsteuerschaltung gemäß der Erfindung,
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3 eine detaillierte Schaltungsanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Anlaufstromsteuerschaltung gemäß der Erfindung,
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4 ein Diagramm mit dem Verlauf des Motorstromes, der Gatespannung eines MOSFETs und der Motorspannung bei einer Anlaufstromsteuerschaltung gemäß der Erfindung, und
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5 ein Diagramm mit dem Verlauf des Motorstromes, der Gatespannung eines MOSFETs und der Motorspannung gemäß Stand der Technik.
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Das Blockschaltbild nach 1 zeigt eine Vollbrückenschaltung 2, in dessen Brückenzweig ein DC-Motor 1 geschaltet ist.
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Die Vollbrückenschaltung 2 umfasst zwei Lowside-Halbleiterschalter T11 und T12 sowie zwei Highside-Halbleiterschalter T21 und T22. Diese als MOSFET ausgebildeten Halbleiterschalter T11, T12, T21 und T22 werden von einer Steuereinheit 4 als Treibereinheit über deren Gate-Elektroden angesteuert. Eine Betriebsspannungsquelle 6 dient der Spannungsversorgung.
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In die Brückenzweige der beiden Lowside-Halbleiterschalter T11 und T12 ist zur Erfassung des Motorstromes I_Mot jeweils ein Stromshunt RSh vorgesehen, deren Spannungssignale einer Anlaufstromsteuerschaltung 3 zugeführt werden. In der Anlaufphase des DC-Motors 1 erzeugt die Anlaufstromsteuerschaltung 3 in Abhängigkeit der Spannungssignale der Stromshunts RSh Anlaufstromsteuersignale USt11 und USt12 zur Steuerung der beiden MOSFET-Halbleiterschalter T11 und T12 in deren Sättigungsbereich, in welchem sich diese beiden MOSFET-Halbleiterschalter T11 und T12 als steuerbare ohmsche Widerstände verhalten. Diese beiden MOSFET-Halbleiterschalter T11 und T12 werden daher in deren analogen Bereich betrieben, so dass dadurch der Motorstrom IMot auf einen vorgegebenen Wert während der Anlaufphase des DC-Motors 1 beschränkt wird.
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Diese Anlaufstromsteuerschaltung 3 kann auch so aufgebaut werden, wie nachfolgend anhand von 2 erläutert wird, dass mit den beiden Stromshunts RSh nach der Anlaufphase des DC-Motors 1 dessen Betriebsstrom gemessen wird und zur Regelung des DC-Motors 1 durch die Steuereinheit 4 verwendet wird. Hierzu wird das von der Anlaufstromsteuerschaltung 3 erzeugte Stromsignal des Betriebsstromes des DC-Motors 1 mittels eines A/D-Wandlers 5 digitalisiert und der Steuereinheit 4 zugeführt.
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Diese Anlaufstromsteuerschaltung 3 kann auch in die Steuereinheit 4 verlegt werden und dort softwaremäßig realisiert werden.
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Die detailliertere Schaltungsanordnung der Anlaufstromsteuerschaltung 3 nach 2 zeigt einen Brückenzweig der Vollbrückenschaltung 2 mit dem MOSFET-Halbleiterschalter T11 mit einem Stromshunt RSh, der mit dem den DC-Motor 1 aufweisenden Brückenzweig der Vollbrückenschaltung 2 verbunden ist.
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Der an diesem Stromshunt RSh erzeugte Spannungsabfall wird einem nichtinvertierender Verstärker V1 zugeführt, dem ein Tiefpassfilter TP nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal einem steuerbaren Spannungsteiler ST zugeführt wird. Dieser Spannungsteiler ST erzeugt das Anlaufstromsteuersignal USt11, aus welchem mittels eines aus Widerständen R4 und R5 gebildeten Spannungsteilers und eines Kondensator C eine Gate-Spannung Ug für den MOSFET-Halbleiterschalter T11 erzeugt wird.
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Der Verstärker V1 umfasst einen als nichtinvertierender Verstärker mittels Widerständen R11, R12 und R13 aufgebauten Operationsverstärker OP1 mit einer Betriebsspannungsquelle Q1. An den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist der Widerstand R12 an den den MOSFET-Halbleiterschalter T11 mit dem Stromshunt RSh verbindenden Schaltungszweiges angeschlossen, während der nichtinvertierender Eingang über den Widerstand R11 am gegenüberliegenden Ende des Stromshunt RSh angebunden ist. Der Rückkopplungswiderstand R13 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers OP1 mit dessen invertierendem Eingang.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers V1 wird einem aus einem Widerstand RTP und einem Kondensator CTP aufgebauten Tiefpassfilter TP zugeführt, dessen Ausgangssignal an einer Basiselektrode eines npn-Transistors T anliegt. Dieser npn-Transistor T bildet zusammen mit Widerständen R1, R2 und R3 mittels des npn-Transistors T einen steuerbaren Spannungsteiler ST.
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Der Widerstand R3 des Spannungsteilers ST wird mit dem Ausgang der Steuereinheit 4 verbunden, über den der MOSFET-Halbleiterschalter T11 über dessen Gate-Elektrode nach der Anlaufphase des DC-Motors 1 gesteuert wird.
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Mit dem Einschalten der Betriebsspannungsquelle 6 entsteht ein Stromimpuls in dem Brückenzweig der Vollbrückenschaltung 2, der als Spannungsabfall über dem Stromshunt RSh erfasst und dem nichtinvertierenden Verstärker V1 zugeführt wird. Über den Tiefpassfilter TP wird das Ausgangssignal des Verstärkers V1 der Basiselektrode des npn-Transistors T des Spannungsteilers ST zugeführt, welches aufgrund des Tiefpassfilters TP langsam ansteigt, wodurch dieser leitend geschaltet wird. Hierdurch entsteht mittels der Widerstände R1, R2 und R3 ein Spannungsteiler, der die Gatespannung Ug absenkt mit der Folge, dass der MOSFET-Halbleiterschalter T11 in seinem ohmschen Bereich betrieben wird, in welchem er sich wie ein ohmscher Widerstand verhält. Dadurch wird der Strom IMot durch den Stromshunt RSh und den MOSFET-Halbleiterschalter T11 begrenzt. Damit wird die Anlaufspannung des DC-Motors 1 auf die Differenz der Betriebsspannung und der Ausgangsspannung des MOSFET-Halbleiterschalters T11 beschränkt. Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände R1, R2 und R3 kann der gewünschte Wert der Strombegrenzung durch den MOSFET-Halbleiterschalter T11 eingestellt werden.
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Den Verlauf der Gatespannung Ug, des Motorstromes IMot und der Motorspannung UMot zeigt 4, während 5 den Verlauf dieser Größen bei einer üblichen Schaltungsanordnung gemäß des Standes der Technik zeigt.
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Aus dieser 4 ist ersichtlich, dass die Gatespannung Ug während der Anlaufphase des DC Motors 1 abgesenkt wird, während im Vergleich hierzu nach 5 diese Gatespannung Ug nahezu konstant verläuft. Die Absenkung der Gatespannung Ug hat zur Folge, dass der Motorstrom IMot aufgrund des ohmschen Verhaltens des MOSFET-Halbleiterschalters T11 auf einen Grenzwert Igrenz beschränkt wird. Nach 5 wird dieser Grenzwert Igrenz von dem Motorstrom IMot überschritten.
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Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP1 wird zusätzlich im Rahmen der normalen Betriebsweise des DC-Motors 1, also im Anschluss von dessen Anlaufphase zur Regelung der MOSFET-Halbleiterschalter T11, T12, T21 und T22 der Vollbrückenschaltung 2 verwendet, indem die Spannung an dem Kondensator CTP des Tiefpassfilters TP dem A/D-Wandler 5 des Blockschaltbild des nach 1 zugeführt wird. Die hierzu von der Steuereinheit 4 erzeugte Regelspannung wird über den Widerstand R3 des steuerbaren Spannungsteilers ST der Gate-Elektrode des MOSFET-Halbleiterschalters T11 zugeführt.
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Eine weitere Ausführungsform der Anlaufstromsteuerschaltung 3 nach 1 zeigt als detaillierte Schaltungsanordnung 10 nach 3.
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Auch diese Schaltungsanordnung 10 umfasst ebenso einen Verstärker V2 sowie einen nachgeschalteten Tiefpassfilter TP. Im Unterschied zu der Anlaufstromsteuerschaltung 3 nach 2 ist dieser Verstärker V2 mittels eines Operationsverstärkers OP2 als invertierender Verstärker aufgebaut. So ist der nichtinvertierender Eingang des Operationsverstärkers OP2 über einen Widerstand R22 an den den MOSFET-Halbleiterschalter T11 mit dem Stromshunt RSh verbindenden Schaltungszweig angeschlossen, während der invertierender Eingang des Operationsverstärkers OP2 über einen Widerstand R21 gegenüberliegend an dem Stromshunt RSh angebunden ist. Ferner verbindet ein Widerstand R23 den Ausgang des Operationsverstärkers OP2 mit dessen invertierendem Eingang. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP2 ist über einen aus einem Widerstand R24 und R25 gebildeten Spannungsteiler mit einer Betriebsspannungsquelle Q2 des Verstärkers V2 verbunden.
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Der aus einem Widerstand RTP und einem Kondensator CTP bestehende Tiefpassfilter TP ist mit dem Ausgang des Verstärkers V2 verbunden. Der Ausgang des Tiefpassfilters TP ist direkt an die Gate-Elektrode des MOSFET-Halbleiterschalters T11 angeschlossen. Aufgrund des Tiefpassfilters TP fällt die Gatespannung Ug verzögert, so dass hierdurch die Gatespannung Ug abgesenkt und dadurch der MOSFET-Halbleiterschalter T11 ebenso in den ohmschen Bereich mit der Folge der Begrenzung des Motorstromes IMot auf einen Grenzwert Igrenz (vgl. 4) gesteuert wird.
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Der Verlauf der Gatespannung Ug, des Motorstromes IMot sowie der Motorspannung UMot entspricht denjenigen von 4.
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Alternativ kann in den Schaltungsanordnungen 10 gemäß den 2 und 3 der Stromshunt RSh auch in den Brückenzweig der Vollbrückenschaltung 2 geschaltet werden.
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Anstelle des Stromshunts RSh kann auch eine andere Messmethode, wie bspw. ein Hallsensor eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- DC-Motor
- 2
- Halb- oder Vollbrückenschaltung
- 3
- Anlaufstromsteuerschaltung
- 4
- Steuereinheit
- 5
- A/D-Wandler
- 6
- Betriebsspannungsquelle
- 10
- Schaltungsanordnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006051722 A1 [0004]
