DE19855424A1 - Steuerung für Elektromotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Energieversorgung eines Elektromotors für ein Funktionsteil eines Kraftfahr­ zeugs aus einer Energiequelle dieses Fahrzeugs.

Eine solche Vorrichtung ist generell bei Gleichstrommotoren anwendbar, die an Bord eines Kraftfahrzeugs installiert sind, wie beispielsweise einem Ventilatormotor für den Kühler des Kraftfahrzeugs.

Bekanntlich ist der Motor von Kraftfahrzeugen zumeist an einen Kühlkreislauf angeschlossen, in dem eine Kühlflüssigkeit umgewälzt wird, die zum Zweck der Temperaturregelung durch den Motor und durch den Kühler zirkuliert. Damit ein ausreichender Wärmeaustausch zwischen dem Kühler und der Umgebung erreicht wird, ist es üblich, den Kühler mit einem oder mehreren motorbetriebenen Ventilatoren auszustatten, mit denen ein Luftstrom durch den Kühler hindurch erzeugt werden kann.

Bei manchen Fahrzeugen, die eine Klimaanlage aufweisen, sind diese Ventila­ toren auch dazu ausgebildet, den Kondensator der Klimaanlage zu kühlen.

Um den Stromverbrauch und damit auch den Kraftstoffverbrauch des Fahr­ zeugmotors zu reduzieren und die durch den Betrieb des Ventilators bedingte Geräuschentwicklung zu vermindern ist es jedoch erforderlich, den Wärme­ austausch zwischen dem Kühler und der Fahrzeugumgebung unter Berück­ sichtigung verschiedener Parameter zu steuern oder zu regeln, die mit dem Betriebszustand des Fahrzeugs zusammenhängen, beispielsweise der Solltem­ peratur der Klimaanlage, der Motortemperatur, etc.

Im Stand der Technik sind deshalb Vorrichtungen zur Steuerung oder Regelung der Geschwindigkeit dieser Ventilatoren entwickelt worden.

So sind beispielsweise Vorrichtungen bekannt, die es gestatten, die Strom­ versorgung des Ventilatormotors zu beeinflussen, um dessen Drehzahl auf zwei unterschiedliche Werte einzustellen.

Die Steuerung des Ventilatormotors oder der Ventilatormotoren erfolgt generell durch einen Betriebsrechner des Fahrzeugs, der Steuerbefehle an ein Treibersystem für die Ventilatormotoren liefert.

Wenn der Kühler beispielsweise nur einen einzigen Ventilatormotor aufweist, ist es möglich, die Drehzahl dieses Ventilatormotors dadurch zu steuern, daß die Beschaltung der Wicklungen dieses Motors modifiziert wird oder, daß ein Widerstand oder dergleichen in Serie mit dem Ventilatormotor geschaltet wird.

Wenn der Kühler zwei Ventilatormotoren aufweist, ist es möglich, unter­ schiedliche Drehzahlen dadurch zu erreichen, daß diese Motoren in Serie oder parallel geschaltet werden.

Diese unterschiedlichen Betriebsmodi des oder jedes Ventilatormotors werden im Allgemeinen durch elektromechanische Relais gesteuert, die in Abhängigkeit von den Steuerbefehlen des Betriebsrechners des Fahrzeugs geöffnet oder geschlossen werden.

Man stellt jedoch fest, daß sich daraus gewisse Nachteile ergeben.

Abgesehen von dem beträchtlichen Aufwand für solche Steuervorrichtungen muß nämlich der oder jeder Ventilatormotor so ausgelegt sein, daß er Schwankungen der Betriebsspannung, die mit der speziellen Anwendung in einem Kraftfahrzeug zusammenhängen, und insbesondere Spannungen, die deutlich über der nominalen Betriebsspannung liegen, problemlos verträgt, was eine Überdimensionierung dieses Motors erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, diese Probleme zu überwinden.

Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Motors für ein Funktionsteil eines Kraftfahrzeugs aus einer Energiequelle dieses Fahrzeugs zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen Impulsbreitenmodulations-Zerhac­ ker aufweist, der zwischen dem Motor und der Energiequelle eingefügt ist und durch ein Impulssignal gesteuert wird, das von einer Steuereinrichtung geliefert wird, die eine Einrichtung zur Erzeugung eines oszillierenden Signals, einen Steuersignalgeber zur Bildung eines Steuersignals mit variabler Amplitude anhand von Befehlsdaten für den Motor, in Verbindung mit einer Einrichtung zur Begrenzung der Amplitude dieses Steuersignals auf einen si­ cherheitswert für den Motorbetrieb, und eine Einrichtung zur Bildung des Impulssignals für den Zerhacker durch Vergleich des oszillierenden Signals mit dem Steuersignal aufweist.

Die Erfindung wird besser verständlich anhand der nachfolgenden, lediglich als Beispiel gegebenen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Illustration des Gesamtaufbaus einer Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 2 ein Diagramm zur Illustration der Funktionsweise dieser Vorrich­ tung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Steuerung der Energieversorgung eines zur Betätigung eines Funktionsteils eines Kraftfahrzeugs dienenden elektrischen Motors 1 aus einer Energiequelle (z. B. Batterie) des Kraftfahrzeugs. Der Motor 1 ist bespielsweise ein Ventilatormotor an oder in einem Kühlradi­ ator zur Kühlung des Fahrzeugmotors.

Die Anschlußklemmen der Batterie sind in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 2 und 3 bezeichnet und entsprechen beispielsweise dem positiven Pol der Bat­ terie und dem beispielsweise durch die Masse des Fahrzeugs gebildeten ne­ gativen Pol dieser Batterie. Eine Freilaufdiode 4 ist parallel zu den Klemmen des Motors 1 geschaltet.

Außerdem ist eine herkömmlich aufgebaute Filterschaltung 5 zwischen die positive Anschlußklemme des Motors 1 und Masse geschaltet.

Der Motor 1, die Freilaufdiode 4 und die Filterschaltung 5 sind beispielsweise mit der Kathode einer Schutzdiode 6 verbunden, deren Anode mit der positi­ ven Klemme 2 der Spannungsquelle verbunden ist und dazu dient, die übri­ gen Schaltungen der Vorrichtung gegen eine Spannungsumkehr beim Anschluß der Vorrichtung an die Spannungsquelle zu schützen.

Es versteht sich, daß diese Schutzdiode 6 nicht zwingend erforderlich ist.

Die andere Anschlußklemme des Motors 1 ist mit Masse über einen Impuls­ breitenmodulations-Zerhacker 7 verbunden, zu dem auch eine Strom-Schutz­ einrichtung 8 und eine Wärme-Schutzrichtung 9 herkömmlicher Bauart ge­ hören, die beispielsweise in den Zerhacker integriert sind. Der Impulsbrei­ ten Modulations-Zerhacker ist somit zwischen dem Motor 1 und der Ener­ giequelle für diesen Motor eingefügt, und seine Funktionsweise wird durch ein Impulssignal oder Rechtecksignal gesteuert, daß von einer Steuereinrich­ tung 10 geliefert wird.

Die Steuereinrichtung 10 ist ebenfalls an die Batterie des Fahrzeugs ange­ schlossen und enthält eine gesteuerte Schalteinrichtung 11 für den Span­ nungseingang, die zwischen der Kathode der Schutzdiode 6, sofern diese vor­ handen ist, und den übrigen Komponenten der Schaltung eingefügt ist, wie weiter unten im Einzelnen beschrieben werden wird. Die gesteuerte Schalt­ einrichtung 11 wird zum Schließen angesteuert, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung aktiviert wird.

Der Ausgang der gesteuerten Schalteinrichtung 11 ist mit einer Einrichtung 12 zur Erzeugung eines oszillierenden Signals verbunden, und der Eingang der Letzteren ist mit einer im folgenden als Steuersignalgeber 13 bezeichne­ ten Einrichtung verbunden, die ein Steuersignal mit variabler Amplitude in Abhängigkeit von Steuerdaten 14 für den Motor erzeugt und mit einer Ein­ richtung 15 verbunden ist, die die Amplitude dieses Steuersignals auf einen Sicherheitswert für den Betrieb des Motors begrenzt. Der Ausgang der Schalteinrichtung 11 ist außerdem mit einer Vergleichseinrichtung 16 ver­ bunden, die das oszillierende Signal mit dem Steuersignal vergleicht und das Rechtecksignal für den Zerhacker 7 liefert.

Die Einrichtung 12 zur Erzeugung des oszillierenden Signals ist dazu ausge­ bildet, an die Vergleichseinrichtung 16 ein Bezugssignal zu liefern, das zwi­ schen einem niedrigen Grenzwert und einem hohen Grenzwert, proportional zur Spannung der Spannungsquelle, oszilliert, während der Steuersignalge­ ber 13 die Befehlsdaten 14 für den Motor aufnimmt, die beispielsweise von einem Betriebsrechner des Fahrzeugs bereitgestellt werden.

Bei diesen Befehlsdaten kann es sich beispielsweise um binäre Daten han­ deln, die über zwei Datenleitungen übermittelt werden und von dem Steuer­ signalgeber 13 in ein Steuersignal konvertiert werden, dessen Amplitude zu der Amplitude der Spannung der Spannungsquelle proportional ist und das der Vergleichseinrichtung 16 zugeführt wird.

So liefert der Steuersignalgeber 13 beispielsweise in Abhängigkeit von den Befehlsdaten 14 an die Vergleichseinrichtung ein Signal, dessen Amplitude von der Amplitude der Batteriespannung des Fahrzeugs abgeleitet ist, um nach Vergleich mit dem oszillierenden Signal die Bildung des Rechteck­ signals für den Zerhacker zu ermöglichen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Ausgang des Steuersignalge­ bers 13 beispielsweise mit einem Kondensator 13a verbunden, der beispiels­ weise parallel zu der Einrichtung 15 mit Masse verbunden ist und es gestat­ tet, die Schwankungen dieses Signals zu mildern, um das durch den Betrieb des Motors bedingte Rauschen zu unterdrücken.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Ausgang des Steuersignalge­ bers 13 auch mit der Einrichtung 15 verbunden, die die Amplitude dieses Steuersignals auf einen Sicherheitswert für den Betrieb des Motors begrenzt und beispielsweise durch eine Zenerdiode gebildet wird, die diesen Sicher­ heitswert festlegt.

Es ist nämlich bekannt, daß in einem Kraftfahrzeug die Spannung der Span­ nungsquelle relativ stark in ihrer Amplitude schwanken kann, so daß eine maximale Spannung erreicht wird, die deutlich über der Nennspannung liegt.

Nach dem Stand der Technik sollten die an Bord von Fahrzeugen installier­ ten Motoren generell in der Lage sein, eine solche maximale Spannung unbe­ schadet zu überstehen.

Als Beispiel kann bei einer Nennspannung von 13.5 Volt die maximale Ver­ sorgungsspannung 18 Volt betragen.

Daraus ergeben sich naturgemäß etliche Nachteile, da die Motoren entspre­ chend überdimensioniert werden müssen, damit sie diese Spannungen aus­ halten.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einrichtung zur Begrenzung der Amplitude des Steuersignals auf einen Sicherheitswert für den Betrieb des Motors vorgesehen, so daß es nicht mehr erforderlich ist, einen solchen überdimensionierten Motor oder einen überdimensionierten Zerhacker vor­ zusehen.

Diese Begrenzungseinrichtung gestattet es nämlich, die Höhe der Betriebs­ spannung des Motors automatisch auf einen sicheren Wert zu begrenzen, wie in Fig. 2 illustriert wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, werden das oszillierende Signal S12 der Einrich­ tung 12 und das Steuersignal S13 des Steuersignalgebers 13 an die Ver­ gleichseinrichtung 16 angelegt und miteinander verglichen, so daß das in Fig. 2 mit S16 bezeichnete Rechtecksignal für den Zerhacker gebildet wird. Je mehr die Amplitude des anhand der Befehlsdaten 14 gebildeten Steuer­ signals S13 im Vergleich zu dem oszillierenden Signal S12 erhöht ist, desto größer ist die Breite der Rechteckimpulse des Signals S16, so daß der Motor mit einer erhöhten mittleren Spannung gespeist wird, und je kleiner die Am­ plitude des Signals S13 im Vergleich zu dem oszillierenden Signal S12 ist, desto kleiner ist die Impulsbreite des Rechtecksignals S16, so daß der Motor mit einer verminderten mittleren Spannung gespeist wird.

Die Amplitude des anhand der Befehlsdaten 14 gebildeten Signals S13 er­ möglicht es somit, die Spannungsversorgung und die Drehzahl des Motors 1 zu steuern.

Darüber hinaus gestattet es die Einrichtung 15 zur Begrenzung der Amplitude des Signals S13, die Spannungsversorgung des Motors auf einen Pegel zu be­ grenzen, der in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen S15 bezeichnet ist, so daß ei­ ne automatische Regelung der Versorgungsspannung des Motors 1 ermög­ licht wird, wenn die Versorgungsspannung den Sicherheitswert für den Be­ trieb des Motors übersteigt, und somit die mittlere Stromstärke des durch den Motor fließenden Stromes auf einem sicheren Wert bleibt.

Es ist folglich nicht notwendig, den Motor oder den Zerhacker überzudimen­ sionieren, damit diese den Überspannungen standhalten können, weil bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Mittel vorgesehen sind, die die Betriebs­ spannung des Motors automatisch auf einen Wert begrenzen, bei dem ein si­ cherer Betrieb des Motors gewährleistet ist.

Da die Einrichtung 12 zur Erzeugung des oszillierenden Signals und der Steuersignalgeber 13 durch die Spannungsquelle gespeist sind, ändern sich, wenn die Spannung dieser Spannungsquelle variiert, auch die Amplituden der Signale S12 und S13, so daß, wenn die Amplitude des Signals S13 der vollen Betriebsspannung für den Motor entspricht, dieser immer noch eine Spannung erhalten würde, die deutlich über der Nennspannung läge.

Durch Verwendung einer Zenerdiode oder einer anderen Einrichtung zur Be­ grenzung der Amplitude des Steuersignals unabhängig von der Amplitude der Batteriespannung ist es jedoch mit Hilfe der Vergleichseinrichtung 16 mög­ lich, den mittleren Betriebsstrom für den Motor automatisch auf einen sich­ eren Wert zu begrenzen, da in diesem Fall bei einer Zunahme der Batterie­ spannung auch die Amplitude des oszillierenden Signals S12 zunimmt und damit die Breite der Rechteckimpulse des Signals S16 abnimmt, weil die Amplitude des Steuersignals S13 auf den maximalen Pegel S15 begrenzt ist.

Bei dem anhand der Zeichnung beschriebenen Beispiel umfaßt der Steuer­ signalgeber 13 eine Einrichtung zum Konvertieren der Befehlsdaten 14 in ein Spannungssignal mit einer durch die Batteriespannung des Fahrzeugs vorge­ gebenen Amplitude.

So ist es beispielsweise theoretisch möglich, anhand der binären Befehlsda­ ten vier Betriebsspannungsniveaus und somit vier Drehzahlen für den Motor zu definieren, die beispielsweise der Drehzahl 0 (Stillstand) und drei von 0 verschiedenen Drehzahlen entsprechen.

Es versteht sich jedoch, daß eine andere Anzahl von Signalen sowie eine an­ dere Anzahl von Betriebsspannungsniveaus für den Motor verwendet werden könnte.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine gesteuerte Schalteinrichtung 11 für die Eingangsspannung, die zwischen der Spannungsquelle und den übrigen Komponenten der Schaltung eingefügt ist.

Der Betrieb dieser gesteuerten Schalteinrichtung 11 kann beispielsweise durch den Steuersignalgeber 13 gesteuert werden, der die Befehlsdaten 14 für den Motor empfängt, um die Schalteinrichtung 11 nur dann zu schließen, wenn ein Betrieb des Motors erforderlich ist, so daß es möglich ist, den Energieverbrauch des Systems zu vermindern, indem die Spannungsversor­ gung desselben unterbrochen wird, wenn es nicht aktiviert ist.

So kann auch eine unnötige Entladung der Fahrzeugbatterie vermieden wer­ den.

Es versteht sich, daß unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung denkbar sind und die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung beispielsweise direkt in den Motor integriert werden könnten, beispielsweise auf der Kontaktträger-Platine desselben, so daß der Einbau in das Kraftfahrzeug erleichtert wird.

Dies hat darüber hinaus etliche Vorteile, beispielsweise eine einfache Küh­ lung der Leistungsbauelemente einer solchen Vorrichtung, da diese mit einer Kühleinrichtung verbunden werden können, die in herkömmlicher Weise beispielsweise in dem durch den Ventilator erzeugten Luftstrom angeordnet ist.

Außerdem kann der Einbau einer solchen Schaltung in der Nähe des elektri­ schen Motors auch das Ausfiltern von Störsignalen erleichtern, die durch den Betrieb dieser Schaltung verursacht werden und andere elektrische Schal­ tungen des Fahrzeugs stören könnten.

Selbstverständlich kann durch eine solche Vorrichtung auch der Betrieb ei­ nes anderen Motors als eines Ventilatormotors gesteuert werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Motors für ein Funktionsteil eines Kraftfahrzeugs aus einer Energiequelle die­ ses Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Impulsbreitenmodula­ tions-Zerhacker (7) aufweist, der zwischen dem Motor (1) und der Energie­ quelle eingefügt ist und dessen Betrieb durch ein Impulssignal (S16) gesteu­ ert wird, das von einer Steuereinrichtung (10) geliefert wird, die eine Ein­ richtung (12) zur Erzeugung eines oszillierenden Signals (S12), einen Steuer­ signalgeber (13) zur Erzeugung eines Steuersignals (S13) mit variabler Ampli­ tude anhand von Befehlsdaten (14) für den Motor in Verbindung mit einer Einrichtung (15) zur Begrenzung der Amplitude dieses Steuersignals auf ei­ nen Sicherheitswert (S15) für den Betrieb des Motors und eine Vergleichs­ einrichtung (16) zur Bildung des Impulssignals für den Zerhacker (7) durch Vergleich des oszillierenden Signals mit dem Steuersignal aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer­ signalgeber (13) eine Einrichtung zur Umwandlung der Befehlsdaten (14) in ein Spannungssignal mit einer durch die Energiequelle des Fahrzeugs be­ stimmten Amplitude aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung (15) eine Zenerdiode aufweist, die mit dem Ausgang des Steuersignalgebers (13) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Kondensator (13a) zur Dämpfung von Schwankungen des Steuersignals an den Ausgang des Steuersignalgebers (13) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie eine gesteuerte Eingangsspannungs-Schalteinrichtung (11) aufweist, die zwischen der Spannungsquelle des Fahrzeugs und den übrigen Komponenten der Vorrichtung eingefügt ist und unter der Steuerung des Steuersignalgebers (13) schließt, wenn dieser Befehlsdaten (14) für den Mo­ tor empfängt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Befehlsdaten (14) von einem Betriebsrechner des Fahr­ zeugs geliefert werden.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie in den Motor eingebaut ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf der Kontaktträgerplatine des Motors angeordnet ist.