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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht von einer Überwachungselektronik
für einen
Elektromotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einem
Verfahren zur Überwachung
eines Elektromotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6 aus.
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Bei
elektrischen Fensterhebern mit Elektronik bzw. einer Türsteuerelektronik
in einem Auto wird der Fensterhebermotor im Allgemeinen über ein
Relais oder einen Halbleiterschalter angesteuert. Die Steuerung
erfolgt über
eine Ansteuerelektronik, die die Spulen des Relais bzw. die Halbleiterstufen
ansteuert, um den Motorstrom ein- und auszuschalten sowie umzupolen.
Ein Prinzipschaltbild einer solchen Ansteuerung ist in 3 gezeigt. Hier ist ein
Motor 1 mit einem beweglichen Schaltkontakt eines ersten Schalters 2 und
mit einem beweglichen Schaltkontakt eines zweiten Schalters 3 verbunden.
Erste feste Kontakte des ersten Schalters 2 und des zweiten Schalters 3 sind
jeweils mit der Versorgungsspannung Ubat verbunden und jeweilige
zweite feste Kontakte des ersten Schalters 2 und des zweiten
Schalters 3 sind mit der Fahrzeugmasse GND verbunden. Der Schaltkontakt
des ersten Schalters 2 wird über eine erste Spule 4 umgeschaltet
und der Schaltkontakt des zweiten Schalters 3 wird über eine
zweite Spule 5 umgeschaltet. Im gezeigten Zustand ist der Schaltkontakt
des ersten Schalters 2 mit dessen ersten festen Anschluss
und somit mit der Versorgungsspannung Ubat verbunden. Der Schaltkontakt
des zweiten Schalters 3 ist mit dessen zweiten festen Anschluss
und somit mit Masse GND verbunden. Es folgt also, dass der Motor
in eine bestimmte Richtung läuft.
Werden nun beide Schaltkontakte gleichzeitig umgeschaltet, so läuft der
Motor in die andere Richtung und wird nur ein Schaltkontakt umgeschaltet,
so wird der Motor abgeschaltet.
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Der
Motor 1 soll nur innerhalb eines bestimmten Betriebsspannungsbereichs
arbeiten, z.B. im Bereich Ubat = 9 V bis 16 V. Außerhalb
dieses Bereichs soll der Motor 1, der z.B. ein Fensterhebermotor
ist, nicht angesteuert werden bzw. laufende Bewegungen sollen gestoppt
werden. Dies soll geschehen, da die Auslegung der Ansteuerelektronik und/oder
des Motors 1 nur für
diesen Betriebsspannungsbereich gilt und außerhalb nur eine eingeschränkte Belastbarkeit
der Komponenten besteht. Dazu wird die Betriebsspannung Ubat von
einer Überwachungselektronik
permanent gemessen. Gleiches oder Ähnliches gilt neben dem Fensterhebermotor
für die
Ansteuerung anderer Motoren im Kfz, die von einer Elektronik kontrolliert
werden.
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Problematisch
ist eine solche Überspannungs-Abschaltung
eines laufenden Motors bei einer großen, schnell ansteigenden Überspannung,
wie diese z.B. beim Load Dump vorliegt. Der Load Dump ist ein Testpuls,
der vom Automobilhersteller vorgegeben ist und an allen Steuergeräten im Kfz
getestet und von diesen bestanden werden muss. Er unterscheidet
sich zwischen den einzelnen Automobilherstellern nur geringfügig. Es
handelt sich z.B. um einen Spannungsanstieg um 21,5 V innerhalb
von t ≤ 10
ms, der zusätzlich
zur Bordspannung ausgehalten werden muss. Ein solcher Load Dump
Testpuls ist für ein
12 V und ein 42 V Bordnetz in 2 gezeigt.
Der Testpuls steigt beim 12 V Bordnetz innerhalb von t ≤ 10 ms von
der Bordspannung 13,5V auf 35 V an, hält diese Spannung für 300 ms
und fällt
innerhalb von ca. 90 ms wieder auf die Bordspannung ab. Beim 42V Bordnetz
ist der Anstieg von 42 V auf 58 V bei ansonsten gleichem Zeitverlauf.
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Wenn
während
dieses Load Dumps der angesteuerte Elektromotor läuft, erkennt
die Überwachungselektronik
die Überspannung
und schaltet den Motor nach einer kurzen Reaktionszeit sofort ab.
Hier ergibt sich nun das Problem, dass der Motor bei dem raschen
Spannungsanstieg stark beschleunigt und dadurch auch der von diesem
aufgenommene Strom kurzzeitig stark ansteigt. Die Abschaltung erfolgt
nun bedingt durch die Reaktionszeit der Überwachungselektronik und die
Relais-Abfallzeit,
d.h. die Zeit der Stromabschaltung in der Relais-Spule und tatsächliche
Unterbrechung des stromführenden
Kontakts, in der Regel bei diesem stark überhöhten Strom. Aus diesem Grund
müssen
zum Schalten der verwendeten Elektromotoren große und robuste Relais vorzugsweise
mit Z-Dioden als Freilauf für
die Relais-Spulen eingesetzt werden.
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Hierdurch
entstehen jedoch unerwünschte Mehrkosten
für die Überwachungselektronik und/oder
die Ansteuerelektronik, da ein für
den normalen Betriebsbereich des Motors dimensioniertes Relais nicht
in der Lage ist, diesen hohen Strom abzuschalten und dabei aufgrund
von Funkenbildung mit extremer Hitzeentwicklung im Relais zerstört wird.
Die Schädigung
des normal ausgelegten Relais erfolgt also aufgrund des hohen Stroms über die
Kontakte im Abschaltmoment. Ähnliches
gilt für
einen für den
normalen Betriebsbereich dimensionierten Halbleiterschalter, der
durch seine Überlastung
aufgrund einer extremen Hitzeentwicklung zerstört wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Nach
der Erfindung ist die Überwachungselektronik
für einen
Elektromotor, die eine Versorgungsspannung des Elektromotors überwacht
und eine Stromzufuhr an den Elektromotor nach einer systeminhärenten Reaktionszeit
unterbricht, wenn die Versorgungsspannung über einem bestimmten oberen
Grenzwert liegt, durch ein Verzögerungselement
gekennzeichnet, das den Beginn der Unterbrechung der Stromzufuhr
zusätzlich
um eine bestimmte Verzögerungszeit
verzögert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Überwachung
eines Elektromotors mit den Schritten: Überwachen einer Versorgungsspannung
des Elektromotors, und Unterbrechen einer Stromzufuhr an den Elektromotor
nach einer systeminhärenten
Reaktionszeit, wenn die Versorgungsspannung über einem bestimmten oberen
Grenzwert liegt, umfasst erfindungsgemäß den zusätzlichen Schritt des zusätzlichen
Verzögerns
eines Beginns der Unterbrechung der Stromzufuhr um eine bestimmte
Verzögerungszeit.
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Durch
die erfindungsgemäße verzögerte Abschaltung
des Relais bei Überspannung
ist der entstehende Überstrom,
der nur kurz anhält
und dann schnell wieder abfällt,
bereits wieder abgeklungen und das Relais schaltet einen geringeren
Strom ab, da der erhöhte
Strom nur so lange besteht, wie der Motor beschleunigt. Durch die
Einhaltung der zusätzlichen
Verzögerungszeit,
bis das Relais abgeschaltet wird, ist der Strom also bereits so
weit abgeklungen, dass es zu keiner Schädigung des Relais mehr kommt.
Die Einhaltung dieser Wartezeit kann z.B. mit Hilfe einer entsprechenden
Programmierung eines Mikroprozessors der Überwachungselektronik oder im
Fall einer integrierten Ansteuer- und Überwachungselektronik für den Elektromotor
durch diese integrierte Elektronik realisiert werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird der Elektromotor über
ein Relais oder einen Halbleiterschalter geschaltet.
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Erfindungsgemäß wird die
Verzögerungszeit vorzugsweise
so bestimmt, dass ein von dem Elektromotor aufgenommener Strom,
der durch den Spannungsanstieg bedingt in einer Beschleunigungsphase
ansteigt, nach Ablauf der Verzögerungszeit
und der Reaktionszeit wieder unterhalb eines bestimmten Werts liegt.
Dieser Wert ist so bestimmt, dass das als Schaltelement eingesetzte
Relais oder der als Schaltelement eingesetzte Halbleiterschalter beim
Abschalten auf keinen Fall zerstört
oder geschädigt
wird. In der Regel besteht die Randbedingung, den Motor schnellstmöglich abzuschalten.
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Erfindungsgemäß liegt
die Verzögerungszeit vorzugsweise
zwischen 10 ms und 100 ms, weiter vorzugsweise zwischen 20 ms und
50 ms und noch weiter vorzugsweise bei 30 ms.
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Die
gewählte
Verzögerungszeit
ist vom Stromverlauf während
des Pulses abhängig,
welcher von dem Pulsvorlauf und den Motorkennwerten abhängt.
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Wie
zuvor schon angegeben, kann die erfindungsgemäße Überwachungselektronik in die
Ansteuerelektronik für
einen Elektromotor integriert sein.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale
in Kombination oder als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
bezeichnet. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßiger Weise
auch einzeln betrachten und/oder zur sinnvollen weiteren Kombination
zusammenfassen.
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Es
zeigen
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1 ein Diagramm des Verlaufs
der Versorgungsspannung, der Schaltspannung für das Relais und der Stromaufnahme
des Motors für
den Fall einer Relaisabschaltung nach der Erfindung und nach dem
Stand der Technik;
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2 einen Load Dump Testpuls;
und
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3 eine Prinzipdarstellung
der Ansteuerung eines Elektromotors mit Relais.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Im
Folgenden wird im Bezug auf die 1 das
Schaltverhalten der erfindungsgemäßen Überwachungselektronik für einen
Elektromotor im Vergleich zu dem einer Überwachungselektronik für einen
Elektromotor nach dem Stand der Technik beschrieben. Im oberen Teil
der 1 ist ein Verlauf
der Versorgungsspannung, der Schaltspannung des Relais und der Stromaufnahme
des Motors nach der Erfindung dargestellt, während im unteren Teil ein entsprechendes
Diagramm des Verlaufs der Versorgungsspannung, der Schaltspannung
des Relais und der Stromaufnahme des Motors für eine Überwachungselektronik nach
dem Stand der Technik dargestellt ist.
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Der
zu überwachende
Motor soll in einem Betriebsspannungsbereich zwischen 9 V und 16
V arbeiten. Außerhalb
dieses Bereichs soll der Motor nicht angesteuert werden bzw. laufende
Bewegungen sollen gestoppt werden. Im Falle eines Load Dump Testpulses,
wie er in 2 gezeigt
ist, ergibt sich der in beiden Teilen der 1 gezeigte Anstieg der Versorgungsspannung.
Daraus folgend ergibt sich ein Anstieg der Stromaufnahme des Motors,
da dieser im Moment des Spannungsanstiegs beschleunigt und dadurch
eine stark erhöhte
Stromaufnahme hat. Die Versorgungsspannung überschreitet aufgrund des Load
Dump Testpulses in den dargestellten Diagrammen etwa bei 11 ms eine
Spannung von 16 V. Nach dem Stand der Technik wird ein Abschalten
des Motorrelais oder des zum Schalten des Motors verwendeten Halbleiterschalters
sofort eingeleitet und nach einer systeminhärenten Reaktionszeit von ca.
19 ms, d.h. bei 30 ms, wird die Ansteuerspannung der Relaisspule
bzw. des Halbleiterschalters von einem 5 V-Potential auf Nullpotential
weggeschaltet, um den Motor abzuschalten. Nach einer Relais-Abfallzeit
von ca. 5 ms schalten die Relaiskontakte um, wodurch nach dem Stand
der Technik das Relais zerstört
wird, denn durch die Kontakte fließt noch ein Strom von ca. 30
A. Das Relais, welches diesen Strom geschaltet halten kann, aber
nicht abschalten kann, wird dadurch zerstört, da es im Relais zur Funkenbildung
mit extremer Hitzeentwicklung kommt. Im unteren Teil der 1 ist zu erkennen, dass
durch diese Zerstörung
die Generatorspannung für
den Load Dump Testpuls aufgrund des nunmehr fließenden Kurzschlussstroms zusammenbricht.
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Nach
der Erfindung wird, wie im oberen Teil der 1 dargestellt, ebenfalls nach ca. 11
ms eine zu hohe Spannung erkannt, wonach eine Verzögerung der
Unterbrechung um ca. 22 ms erfolgt, um dann die Abschaltung des
Motors einzuleiten. Wie nach dem Stand der Technik werden jetzt
ca. 19 ms benötigt,
d.h. die systeminhärente
Reaktionszeit, um die Schaltspannung des Relais umzuschalten, was nach
ca. 52 ms erfolgt. Nach der Relais-Abfallzeit von ca. 5 ms wird
die Stromzufuhr an den Motor unterbrochen. Zu diesem Zeitpunkt fließen nur
noch ca. 20 A durch das Relais, wodurch dieses sauber abschalten kann
ohne zerstört
oder beschädigt
zu werden.
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Das
erfindungsgemäße Verzögerungselement
kann über
eine Mikroprozessorprogrammierung oder mittels einer Verzögerungsschaltung
realisiert werden, welches der systeminhärenten Verzögerung eine weitere Laufzeit
hinzufügt.
Der Einsatz der Erfindung erfolgt vorzugsweise in Steuergeräten zur
Ansteuerung bzw. Überwachung
von Fensterheber- und Schiebedachmotoren, ist jedoch auch für jegliche
andere Elektromotoren oder elektrische oder elektronische Schaltungen
möglich.