DE19913956C2 - Stell-bzw. Hilfsantrieb in einem Kraftfahrzeug mit einem Gleichstrommotor mit Anlaufstrombegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stell- bzw. Hilfsantrieb in einem Kraftfahrzeug mit einem Gleichstrommotor mit Anlauf­ strombegrenzung gemäß Patentanspruch 1 bzw. 2 bzw. 3 bzw. 4.

Die Standzeiten von über Bürsten gespeiste Gleichstrommotore sind insbesondere durch den Verschleiß der Bürsten bzw. des von diesen beschliffenen Kommutators bestimmt; maßgebliche Ursache für einen erhöhten Verschleiß sind hohe Stromdichten und dadurch bedingte hohe Temperaturbelastungen beim Motoran­ lauf nach einem Einschalten des Gleichstrommotors. Insbeson­ dere elektrische Stell- bzw. Hilfsantriebe in Kraftfahrzeu­ gen, wie z. B. für Fahrstabilitätsregelungen, Traktionskon­ trollen, elektrische Schalt- und Bremsgetriebe sowie elektro­ hydraulische Kupplungssysteme sind häufigen Einschaltungen mit entsprechend hohen Stromdichten unterworfen.

Durch die DE 197 25 029 A1 ist eine Vorrichtung zum Absaugen von Luft und darin enthaltenen Partikeln, wie Staub, Späne oder dergleichen, mit einem mittels einer Schalteranordnung an eine Wechselspannungsquelle anschließbaren Wechselstrom- Kommutatormotor bekannt, der die Luft durch einen Saugkanal absaugt. Eine Steuereinrichtung steigert beim Schließen der Schalteranordnung die Saugleistung des Saugmotors ausgehend von einer niedrigeren Einschaltsaugleistung bis zu einer hö­ heren, gewünschten Betriebssaugleistung, so dass der zum Ein­ schaltzeitpunkt durch den Saugmotor fließende Einschaltstrom kleiner ist als der sich ohne Einwirkung dieser Steuerein­ richtung einstellen würdende Anlaufstrom. Hierdurch soll der Einschaltstrom bei einer höheren Betriebsleistung gering ge­ halten werden.

Durch die DE 43 04 960 A1 sind Verstellmotoren mit integrier­ ter Motorsteuerung für einen reduzierten Anlaufkurzschluss­ strom mit einem reduzierten Anlaufdrehmoment durch eine Zeit- und/oder wegabhängige Pulsweitensteuerung des Motorsteuer­ signals bekannt.

Gemäß Aufgabe vorliegender Erfindung soll bei einem über Bür­ sten gespeisten Stell- bzw. Hilfsantrieb in einem Kraftfahr­ zeug mit einem Gleichstrommotor eine Anlaufstrombegrenzung und damit eine wesentliche Verlängerung der Betriebsstandzeit mit geringem Steuer- bzw. Regelaufwand gewährleistet werden können.

Die Lösung der Erfindung gelingt durch einen Stell- bzw. Hilfsantrieb in einem Kraftfahrzeug mit einem Gleichstrommo­ tor mit Anlaufstrombegrenzung gemäß Patentanspruch 1 bzw. 2 bzw. 3 bzw. 4; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße motorzugeordnete Regel- bzw. Steuervor­ richtung erlaubt einen anwenderseitigen Anschluß des Gleich­ strommotors in bisher üblicher Weise an lediglich eine zwei­ phasige Speisespannung, wobei beim Anschalten des erfindungs­ gemäßen Gleichstrommotors selbsttätig ohne gesonderte anwen­ derseitige Regel- bzw. Steuersoftware eine im Sinne großer Betriebsstandzeiten vorteilhafte Anlaufstrombegrenzung akti­ viert ist; die erfindungsgemäßen Anlaufstrombegrenzungen be­ einflussen die Modifikation der elektrischen Schnittstelle zwischen dem Gleichstrommotor bzw. seiner Zuleitung oder Zu­ schaltung einerseits und dessen äußerer Spannungsversorgung andererseits, z. B. durch einen ansonsten notwendigen Steue­ rungspin einer gesonderten anwenderseitigen Regel- bzw. Steuersoftware für eine Sanftanlaufsteuerung, nicht, wobei mit dem Anlegen einer Speisespannung jeweils selbsttätig eine mit geringem Schaltungsaufwand steuer- bzw. regelbare motor­ seitig installierte Anlaufstrombegrenzung in Gang setzbar ist.

Im Rahmen besonders vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfin­ dung ist die Regel- bzw. Steuervorrichtung in den Gleich­ strommotor selbst bzw. in seine Motorzuleitung bzw. in das Gehäuse eines Relais integriert, mit dem der Gleichstrommotor an die, in der Regel zweipolige, Speisespannung anschließbar ist.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im fol­ genden anhand schematischer Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 in einem Blockschaltbild einen anwenderseitigen An­ schluß eines Gleichstrommotors an seine Speisespan­ nung;

Fig. 2 in einem Blockschaltbild eine erste motorinnere er­ findungsgemäße Ausführung einer Regel- bzw. Steuer­ vorrichtung zur Begrenzung des Motorstroms;

Fig. 3 eine aufgrund des Zusammenwirkens eines konstanten Oszillator-Taktsignals mit einem ansteigenden Inte­ grator-Steuersignal sich ergebende pulsweitenmodu­ lierte Steuerspannung zur Ansteuerung einer Versor­ gungseinheit des Gleichstrommotors;

Fig. 4-6 in jeweils einem Blockschaltbild drei weitere, gegen­ über Fig. 2 vereinfachte, motorinnere Regel- bzw. Steuervorrichtungen zur Begrenzung des Motorstroms.

Gemäß Fig. 1 ist motoraußenseitig zwischen einem Gleichstrom­ motor M als ein Stellmotor in einem Kraftfahrzeug, und dessen Gleich-Speisespannung U; GND in Form einer Batterie BA eine Sicherung S1 und ein mit einem Schaltbefehl SB ein- bzw. aus­ schaltbares Relais RE vorgesehen.

Über das Relais RE wird die Speisespannung U; GND gemäß Fig. 2 an eine in das Motorgehäuse MG des Gleichstrommotors M integ­ rierte Regel- bzw. Steuervorrichtung OS; IN; KO; VE angelegt und ein Motorstrom I_M im Sinne eines Sanftanlaufs mit Anlauf­ strombegrenzung über Bürsten B1; B2 an dessen Kommutator K weitergegeben, über den die Rotorwicklung des vorzugsweise statorseitig permanenterregten Gleichstrommotors M bestrombar ist.

Die Steuer- bzw. Regelvorrichtung gemäß Fig. 2 enthält gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung als wesentliche Bau­ teile einen ein konstantes Oszillator-Taktsignal S1 erzeugen­ den Oszillator OS, einen ein nach dem Anlegen der Speisespan­ nung U; GND an den Gleichstrommotor M ansteigendes Integrator- Steuersignal S2 erzeugenden Integrator IN sowie einen beide Steuersignale vergleichenden Komparator KO, derart dass von diesem - wie aus Fig. 3 ersichtlich - eine hinsichtlich ihrer Einschaltdauer zunehmende pulsweitenmodulierte Steuerspannung u_st an eine Versorgungseinheit VE im Sinne eines ansteigenden Anlaufstromes IM abgegeben wird; am Ausgang des Komparators KO findet dabei jeweils ein Flankenwechsel (Low/High) der Steuerspannung u_st statt, wenn Spannungsgleichheit vorliegt zwischen dem konstanten Oszillator-Taktsignal S1 und der zu­ nächst von einem Anfangswert unterhalb des Maximalwertes des Oszillator-Taktsignals S1 beginnenden und nach dem Anlauf diesen Maximalwert übersteigenden Integrator-Steuersignal S2.

Sowohl der zeitliche Verlauf des Oszillator-Taktsignals S1 als auch der des Integrator-Steuersignals S2 können, z. B. in Anpassung an Motordaten bzw. an Anwenderdaten, einstellbar sein. Sämtliche Bausteine der Regel- bzw. Steuervorrichtung sind lediglich aus der Speisespannung U; GND versorgbar und benötigen keine gesonderten, nach außerhalb des Gleichstrom­ motors M verlaufenden Versorgungs- und/oder Regel- bzw. Steueranschlüsse.

Fig. 4 zeigt gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung eine erste Vereinfachung der motorinneren Regel- bzw. Steuer­ vorrichtung mit einem integrierten PWM-Steller PWM, dessen ausgangsseitige Steuerspannung u_st im Sinne einer Anlauf­ strombegrenzung unmittelbar von dem Integrator-Steuersignal S2 eines - bereits aus der Ausführung gemäß Fig. 2 bekannten - Integrators IN abgeleitet wird; mit steigendem Signalpegel des Integrator-Steuersignals S2 wächst die Einschaltpulsdauer des PWM-Stellers PWM für die Steuerspannung u_st und damit die mittlere Stromstärke I_M.

Fig. 5 zeigt eine weitere vereinfachte Ausführung der motorin­ neren Regel- bzw. Steuervorrichtung. Ein über die Bürsten B1; B2 und den Kommutator K mit der Rotorwicklung in Reihe liegender Vorwiderstand R ist über einen MOSFET T als Schalt­ transistor überbrückbar, dessen Widerstandswert in Abhängig­ keit vom - wie gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 4 ersichtlich - anstei­ genden Integrator-Signalverlauf S2 steht.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei dem eine im Sinne einer Anlaufstrombegrenzung variable Taktung der Steuerspannung u_st für die Versorgungseinheit VE durch einen Microcontroller MC mit entsprechender abgespeicherter und bei Anlegen der Speisespannung U, GND aktivierter programmierter Kennlinie erfolgt.

Die erfindungsgemäße motoreigene Steuer- bzw. Regelvorrich­ tung muß nicht unbedingt innerhalb des Motorgehäuses des Gleichstrommotors, in diesem Fall vorzugsweise als integraler Bestandteil von dessen Bürstentragplatte, angeordnet sein, sondern kann bei Zuordnung zum jeweiligen Gleichstrommotor auch vorgesehen sein außerhalb dessen Motorgehäuses, vorzugs­ weise als integraler Bestandteil einer Motorzuleitung ML bzw. einer motorzugeordneten Einschalteinheit wie dem eingangs er­ wähnten, in Fig. 1 dargestellten Relais RE; dabei kann die Re­ gel- bzw. Steuervorrichtung von dem, z. B. am Motorgehäuse bzw. in dessen Motorzuleitung ML oder im Kraftfahrzeug selbst gehaltenen Relais RE, insbesondere innerhalb dessen Relaisge­ häuse RE-G, aufgenommen werden und gegebenenfalls selbst die Ein-Ausschaltfunktion des Relais RE mitübernehmen.

Claims (9)

1. Stell- bzw. Hilfsantrieb in einem Kraftfahrzeug mit einem Gleichstrommotor mit Anlaufstrombegrenzung

• - mit einer jeweils motorzugeordneten, lediglich durch ex­ ternen Anschluss des Gleichstrommotors (M) an seine Spei­ sespannung (U; GND) selbsttätig aktivierbaren Regel- bzw. Steuervorrichtung (OS; IN; KO; VE bzw. IN, PWM, VE bzw. IN, VE bzw. MC, VE) zur Begrenzung des Motorstroms (I_M) beim Mo­ toranlauf;
• - mit einer Bildung einer im Sinne einer Anlaufstrombegren­ zung variablen Steuerspannung (u_st) für eine Versorgungs­ einheit (VE) für den Motor (M) durch Zusammenwirken eines Oszillators (OS) mit konstantem Oszillator-Taktsignal (S1) und einem In­ tegrator (IN) mit dem im Sinne der Anlaufstrombegrenzung zwischen einem unteren Anfangswert und einem oberen End­ wert ansteigenden Integrator-Steuersignal (S2).

2. Stell- bzw. Hilfsantrieb in einem Kraftfahrzeug mit einem Gleichstrommotor mit Anlaufstrombegrenzung

• - mit einer jeweils motorzugeordneten, lediglich durch ex­ ternen Anschluss des Gleichstrommotors (M) an seine Spei­ sespannung (U; GND) selbsttätig aktivierbaren Regel- bzw. Steuervorrichtung (OS; IN; KO; VE bzw. IN, PWM, VE bzw. IN, VE bzw. MC, VE) zur Begrenzung des Motorstroms (I_M) beim Mo­ toranlauf;
• - mit einer Bildung einer im Sinne einer Anlaufstrombegren­ zung variablen Steuerspannung (u_st) für die Versorgungs­ einheit (VE) durch Zusammenwirken eines PWM- Steller (PWM) mit veränderbarem Tastverhältnis mit einem Integrator (TN) mit einem zwischen einem unteren Anfangs­ wert und einem oberen Endwert ansteigenden Integrator- Steuersignal (S2);

3. Stell- bzw. Hilfsantrieb in einem Kraftfahrzeug mit einem Gleichstrommotor mit Anlaufstrombegrenzung

• - mit einer jeweils motorzugeordneten, lediglich durch ex­ ternen Anschluss des Gleichstrommotors (M) an seine Spei­ sespannung (U; GND) selbsttätig aktivierbaren Regel- bzw. Steuervorrichtung (OS; IN; KO; VE bzw. IN, PWM, VE bzw. IN, VE bzw. MC, VE) zur Begrenzung des Motorstroms (I_M) beim Mo­ toranlauf;
• - mit einer Bildung einer im Sinne einer Anlaufstrombegren­ zung variablen Steuerspannung (u_st) für die Versorgungs­ einheit (VE) mit einem durch einen Motor-Vorwiderstand (R) überbrückbaren widerstandsveränderlichen Schalttran­ sistor (T), insbesondere Mosfet, durch Steuerabhängigkeit des Schalttransistors von dem Integrator-Steuersignal (S2).

4. Stell- bzw. Hilfsantrieb in einem Kraftfahrzeug mit einem Gleichstrommotor mit Anlaufstrombegrenzung

• - mit einer jeweils motorzugeordneten, lediglich durch ex­ ternen Anschluss des Gleichstrommotors (M) an seine Spei­ sespannung (U; GND) selbsttätig aktivierbaren Regel- bzw. Steuervorrichtung (OS; IN; KO; VE bzw. IN, PWM, VE bzw. IN, VE bzw. MC, VE) zur Begrenzung des Motorstroms (I_M) beim Mo­ toranlauf;
• - mit einer Bildung einer im Sinne einer Anlaufstrombegren­ zung variablen Steuerspannung (u_st) für die Versorgungs­ einheit (VE) durch deren Steuerabhängigkeit von einem Microcontroller (MC) mit im Sinne von dem Steuersignal (S2) veränderlichen Tastverhältnis.

5. Stell- bzw. Hilfsantrieb nach zumindest einem der An­ sprüche 1-4

• - mit einer in den Gleichstrommotor (M), insbesondere in dessen Motorgehäuse, integrierten Regel- bzw. Steuervor­ richtung.

6. Stell- bzw. Hilfsantrieb nach zumindest einem der An­ sprüche 1-4

• - mit einer in die Motorzuleitung (ML) zu dem Gleichstrom­ motor (M) integrierten Regel- bzw. Steuervorrichtung.

7. Stell- bzw. Hilfsantrieb nach Anspruch 6

• - mit einem Relais (RE) zum externen Anschluss der Speise­ spannung (U; GND) an den Gleichstrommotor (M) als Teil der Motorzuleitung (ML);
• - mit einer in das Gehäuse des Relais (RE) integrierten Re­ gel- bzw. Steuervorrichtung.

8. Stell- bzw. Hilfsantrieb nach zumindest einem der An­ sprüche 1-7

• - mit einer Anlaufstrombegrenzung durch Taktung der Versorgungseinheit (VE) für den Gleichstrommotor (M).

9. Stell- bzw. Hilfsantrieb nach Anspruch 8,

• - mit einer Vollaussteuerung der Versorgungseinheit (VE) nach Beendigung des Anlaufs des Gleichstrommotors (M).