DE19506273A1 - Schaltungsanordnung zur Steuerung von drehzahlveränderlichen DC-Motoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung ei­ nes Gleichstrommotors (DC-Motor), der von einer ein PWM-moduliertes Steu­ ersignal erzeugenden Ansteuerschaltung im Taktbetrieb betrieben wird.

Zur Drehzahlregelung von DC-Motoren, insbesondere in Kraftfahrzeuge ein­ gesetzte Lüftermotoren, wird die Speisespannung für den DC-Motor über Leistungstransistoren verändert. Dabei wird dieser Leistungstransistor über ein von einer Ansteuerschaltung erzeugtes impulsdauer-moduliertes (PWM- moduliert) Steuersignal getaktet, so daß sich am DC-Motor ein Spannungs­ mittelwert einstellt, der die Drehzahl des Motors bestimmt.

Es ist bekannt, einen solchen Taktbetrieb mit einer niedrigen Taktfrequenz, von beispielsweise 20 Hz durchzuführen. Der Schaltungsaufwand hierfür ist gering, jedoch treten bei niedrigen Drehzahlen mechanische Vibrationen durch einen unrunden Motorlauf auf, was im Kraftfahrzeug zu Geräusch­ problemen führt. Diese Nachteile werden dadurch vermieden, daß eine hohe Taktfrequenz von beispielsweise 20 kHz bis 100 kHz verwendet wird. Bei diesen hohen Frequenzen treten jedoch EMV-Probleme auf, die im Kraft­ fahrzeug unerwünscht sind. Zur Beseitigung dieser Probleme sind zusätz­ liche Filter notwendig, die zu hohen Kosten und einem hohen Platzbedarf führen. Des weiteren können Temperaturprobleme auftreten, deren Beseiti­ gung größere Bauelemente erfordern, die wiederum zu höheren Kosten und erhöhtem Platzbedarf führen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines im Taktbetrieb betriebenen Gleichstrommotors an­ zugeben, die die o. g. Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspru­ ches 1 gelöst, wonach die Ansteuerschaltung PWM-Steuersignale mit wenig­ stens zwei unterschiedlichen Taktfrequenzen erzeugt, wobei der Taktbe­ trieb des DC-Motors derart erfolgt, daß in einem unteren Drehzahlbereich das PWM-Steuersignal eine hohe Taktfrequenz aufweist und mit höherwer­ dendem Drehzahlbereich die Taktfrequenz des PWM-Steuersignals stufen­ weise abnimmt.

Damit werden die Nachteile vermieden, die bei einem Taktbetrieb des DC- Motors mit niedriger Taktfrequenz im unteren Drehzahlbereich als auch bei hoher Taktfrequenz auftreten können. Dadurch, daß nur bei niedrigen Mo­ tordrehzahlen, die einem niedrigen Tastverhältnis des PWM-Steuersignales entsprechen, mit hoher Tastfrequenz getaktet wird, ist für den dabei auftre­ tenden kleinen Motorstrom der Filteraufwand gering, d. h. es ist nur eine ge­ ringe Anzahl von als Filter eingesetzten Elektrolytkondensatoren erforder­ lich. Gleichzeitig ist auch eine stärkere Verschleifung der Schaltflanken des PWM-Steuersignales aufgrund des kleinen Stromes möglich, was auch die Schaltverluste gering hält. Diese stärkere Verschleifung der Schaltflanken er­ zeugt zudem auch eine geringere HF-Störabstrahlung. Der DC-Motor läuft in diesem unteren Drehzahlbereich vibrations- und geräuschfrei.

Wird nun der DC-Motor in einen höheren Drehzahlbereich gesteuert, wird auf eine niedrige Taktfrequenz umgeschaltet. Aufgrund der höheren Dreh­ zahl läuft der DC-Motor nahezu vibrations- und geräuscharm. Obwohl nun höhere Pulsströme des DC-Motors auftreten, bleibt die Strombelastung der als Filter eingesetzten Elektrolytkondensatoren konstant, da aufgrund der niedrigen Taktfrequenz die Stromflußdauer durch diese Elektrolytkondensatoren kurz ist und dazwischen lange Pausen auftreten, d. h. der Motorstrom einen kleinen Effektivwert aufweist. Aufgrund dieser niedrigen Effektivströ­ me durch die Elektrolytkondensatoren können 125°C-Bauelemente bei rela­ tiv hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, da die Eigenerwär­ mung dieser Elektrolytkondensatoren gering bleibt. Dies läßt den Einsatz ko­ stengünstiger Elektrolytkondensatoren zu.

Schließlich können bei diesen niedrigen Taktfrequenzen die Schaltflanken noch stärker verschliffen werden, wodurch EMV-Störungen nochmals redu­ zierbar sind.

Der Frequenzbereich der Taktfrequenz beginnt bei niedrigen Frequenzen mit 5 Hz und endet bei hohen Frequenzen mit 100 kHz.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind für die PWM-Steuersignale zwei Taktfrequenzen mit einer hohen und einer niedrigen Frequenz vorge­ sehen. Vorzugsweise wird das eine hohe Taktfrequenz aufweisende PWM- Steuersignal bei kleinen Tastverhältnissen, insbesondere bis zu 30% einge­ setzt und die Taktfrequenz erst dann auf die niedrigere Taktfrequenz umge­ schaltet, wenn der DC-Motor auf höhere Drehzahlen gesteuert werden soll.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine niedrige Taktfrequenz mit einer Frequenz von weniger als 200 Hz, vorzugsweise 18 Hz und eine hohe Taktfrequenz mit einer Frequenz von wenigstens 15 kHz, vorzugsweise jedoch 20 kHz eingesetzt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zu­ sammenhang mit der Figur dargestellt und erläutert werden.

Diese Figur zeigt einen DC-Motor 1, der über einen Leistungstransistor T mit einer Betriebsspannungsquelle von beispielsweise +12 V verbunden ist, wo­ bei diese Betriebsspannungsquelle die Bordbatterie eines Kraftfahrzeuges darstellen kann. Der Leistungstransistor T weist eine Steuerelektrode auf, die mit einer Ansteuerschaltung 2 verbunden ist, die ein PWM-Steuersignal die­ sem Leistungstransistors T zuführt, wodurch der DC-Motor 1 im Taktbetrieb betrieben wird. Ferner dient ein zur Betriebsspannungsquelle parallelge­ schalteter Elektrolytkondensator C als Filterelement und eine parallel zum DC-Motor 1 geschaltete Diode D als Freilaufdiode.

Die Ansteuerschaltung 2 ist mit einer Steuereinheit 3 verbunden, die ihrer­ seits in Abhängigkeit von Eingabesignalen E entsprechende Steuersignale der Ansteuerschaltung 2 zuführt. So kann beispielsweise bei Verwendung des DC-Motors als Lüftermotor in einem Kraftfahrzeug der Luftdurchsatz mittels entsprechender Eingabesignale E eingestellt werden, so daß entspre­ chende Steuersignale die Steuereinheit 3 für die Ansteuerschaltung 2 gene­ riert. Bei geringem Luftdurchsatz, also bei niedriger Drehzahl, erzeugt die Ansteuerschaltung 2 ein PWM-Steuersignal mit einer Taktfrequenz von ca. 20 kHz, das einem niedrigen Tastverhältnis entspricht, das zwischen wenigen Prozenten und ca. 30% liegt. Wird ein höherer Luftdurchsatz gewünscht, also eine höhere Drehzahl eingestellt, erzeugt die Ansteuerschaltung 2 ein PWM-Steuersignal mit einer Taktfrequenz zwischen 5 Hz und 200 Hz, bei­ spielsweise von 18 Hz. Die Drehzahl ist dabei so hoch, daß nunmehr der DC- Motor nahezu vibrations- und geräuschlos läuft.

Die Erfindung ist nicht nur darauf beschränkt, daß die Ansteuerschaltung in Abhängigkeit der Drehzahl bzw. des Tastverhältnisses nur zwei PWM-Steuer­ signale mit unterschiedlichen Taktfrequenzen erzeugt, sondern umfaßt auch solche Schaltungen, bei denen mehr als zwei PWM-Steuersignale verwendet werden, die sich in den Taktfrequenzen unterscheiden. Dann wird der ge­ samte Drehzahlbereich des DC-Motors in mehr als zwei Drehzahlbereiche auf­ geteilt, denen jeweils eine bestimmte Taktfrequenz zugeordnet wird.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors (1), der von einer ein PWM-moduliertes Steuersignal erzeugenden Ansteuer­ schaltung (2) im Taktbetrieb betrieben wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Ansteuerschaltung (2) erzeugt PWM-modulierte Steuersignale mit wenigstens zwei unterschiedlichen Taktfrequenzen,
• b) der Taktbetrieb des Gleichstrommotors (1) erfolgt derart, daß in ei­ nem unteren Drehzahlbereich das PWM-modulierte Steuersignal eine hohe Taktfrequenz aufweist und mit höherwerdendem Drehzahlbe­ reich die Taktfrequenz des PWM-modulierten Steuersignales stufen­ weise abnimmt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich der Taktfrequenz 5 Hz bis 100 kHz beträgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die PWM-modulierten Steuersignale zwei Taktfrequenzen mit einem hohen und einem niedrigen Frequenzwert vorgesehen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinem Tastverhältnis, insbesondere bis 30%, das PWM-modulierte Steuersi­ gnal eine hohe Taktfrequenz und ansonsten eine niedrige Taktfrequenz auf­ weist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrige Taktfrequenz einen Frequenzwert von weniger als 200 Hz, vorzugs­ weise 18 Hz und die hohe Taktfrequenz einen Frequenzwert von mehr als 15 kHz, vorzugsweise 20 kHz aufweist.