DE3936484A1 - Steuerung fuer einen an nieder-gleichspannung betriebenen elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines an einer Nieder-Gleichspannung betriebenen Elektromotors in beiden Laufrichtungen.

Für Elektromotoren, wie beispielsweise an einer Gleichspannung von 12 Volt oder 24 Volt betrieben werden sollen, sind Steuerungen mit Hilfe von Relais, also rein mechanischen Schaltern, bekannt. Derartige Schaltungsanordnungen haben vor allem den Nachteil, daß bei den besagten Bedingungen schon nach einigen hundert Schaltvorgängen die Relais-Kontakte, bedingt durch hohe Ein- und Ausschaltströme des Elektromotors, unbrauchbar geworden sind.

Es sind auch Steuerungen für Elektromotoren unter Zuhilfenahme von Halbleitern als Schalter bekannt. Diese genügen allerdings nicht den Forderungen für an einer Nieder-Gleichspannung betriebene Elektromotoren, unter anderem deshalb nicht, weil die in bekannten Schaltungen verwendeten Halbleiter (Transistoren) im voll durchgeschalteten Zustand etwa ein Volt Restspannung haben. Dadurch geht ein großer Teil der zur Verfügung stehenden niedrigen Betriebsspannung an den Schaltern verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs näher bezeichneten Art zu schaffen, mit der problemlos Elektromotoren auch an einer Nieder-Gleichspannung betrieben werden können, bei großer Betriebssicherheit.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Elektromotor über eine Brückenschaltung gesteuert wird, daß die Brückenschaltung als Schalter vier MOS-FET- Leistungstransistoren aufweist, wobei jeweils die beiden diagonal zueinander liegenden MOS-FET- Leistungstransistoren geschlossen oder geöffnet sind, daß ein Oberspannungsgenerator vorgesehen ist, der abgeleitet von der Nieder-Gleichspannung, eine höhere, am oberen Teil der Brückenschaltung anliegende Gleichspannung erzeugt und daß zur Kontrolle des von dem Elektromotor aufgenommenen Stromes ein Stromsensor vorgesehen ist.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß parallel zu den MOS-FET- Leistungstransistoren Widerstände angeordnet sind, die im hochohmigen Zustand der MOS-FET-Leistungstransistoren eine Brückenschaltung bilden, deren Verstimmung über eine Einschaltlogik die Steuerung des Elektromotors ausschaltet.

Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, daß als Stromsensor eine aus wenigen Windungen bestehende Spule vorgesehen ist, in deren Luftspalt eine magnetisch empfindliche Feldplatte angeordnet ist und daß eine aus einem Transistor einer Zenerdiode und Widerständen sowie einem Kondensator bestehende Auswerteschaltung vorhanden ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß für den Nieder- Gleichspannungsbereich (12 Volt, 24 Volt) mit Hilfe von MOS-FET-Leistungstransistoren eine Steuerung von Elektromotoren möglich ist, wobei eine Vielzahl von Schaltzyklen in der Größenordnung von 500 000 ohne weiteres bewältigt werden können. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich beispielsweise für den mobilen Betrieb auf einem Schlepper oder Lkw, wo mit einer Gleichspannung von 12 oder 24 Volt gearbeitet wird, und dort kann eine übliche Hydraulikanlage zum Heben und Senken angehängter Lasten durch elektrisch angetriebene Hubspindeltriebe ersetzt werden. Auch ist als Besonderheit der neuen Schaltungsanordnung zu verzeichnen, daß kein äußeres Schaltsignal erforderlich ist, um den Elektromotor bei Erreichen der jeweiligen Endposition beispielsweise eines bewegten Hebels auszuschalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Steuerung,

Fig. 2 den in einer Brückenschaltung angeordneten Elektromotor mit Schutzschaltung,

Fig. 3 die Einschaltlogik mit Stromsensor und Oberspannungsgenerator und

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Brückensteuerung.

Die bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verwendeten MOS-FET-Leistungstransistoren zeichnen sich durch einen Restwiderstand im eingeschalteten Zustand von weniger als 20 mOhm aus, was z. B. bei 120 Watt Leistungsaufnahme einen Spannungsverlust von etwa lediglich 3,5% der Betriebsspannung an den Schaltern bedeutet. "MOS-FET-" steht für Metal-Oxid-Semiconductor- Field-Effect-Transistor, vergleiche dazu beispielsweise die Druckschrift von SIEMENS "SIPMOS- Leistungstransistoren", technische Beschreibung, Ausgabe 1985.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Zentrale Einheit ist die Brückenschaltung 2, in der als Schalter vier MOS-FET-Leistungstransistoren T19 bis T22 angeordnet sind. Der Elektromotor wird von der Brückenschaltung 2 gesteuert. Die Stromaufnahme des geschalteten Motors wird über einen Stromsensor 5 permanent überwacht. Bei Erreichen eines bestimmten, einstellbaren Stromwertes liefert eine noch näher zu beschreibende Auswerteschaltung ein Signal, daß zum Ausschalten des Elektromotors benutzt wird. Um im oberen Teil der Brückenschaltung 2 MOS-FET-Leistungstransistoren verwenden zu können, ist ein sogenannter Oberspannungsgenerator 3 vorgesehen, der aus der angelegten Betriebsspannung eine höhere Spannung erzeugt, beispielsweise die doppelte Betriebsspannung, die zur Versorgung der Ansteuerstufen für die MOS-FET- Leistungstransitoren im oberen Teil der Brückenschaltung 2 dient.

Es kann auch eine Schutzschaltung 7 vorgesehen sein, die bei einem eventuellen Fehler an der Brückenschaltung 2 über die Einschaltlogik 6 die gesamte Motorsteuerung ausschaltet. Diese Schutzschaltung überwacht ständig die Brückenschaltung 2 im nichteingeschalteten Zustand, d. h. wenn der Motor nicht eingeschaltet ist.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die eigentlichen Schalter für den Motor 1 durch die MOS-FET-Leistungstransistoren T19 bis T22 gebildet werden. Sie sind in Brückenschaltung 2 angeordnet. Eingeschaltet sind für die jeweilige Laufrichtung jeweils zwei diagonal gegenüberliegende MOS- FET-Leistungstransistoren, beispielsweise T19 und T22 bzw. T20 und T21. Die Widerstände R25 bis R28 verhindern eine statische Aufladung der jeweiligen MOS-FET- Leistungstransistoren-Schalter und somit ein unkontrolliertes leitend werden der MOS-FET- Leistungstransistoren.

Aus Fig. 3, links unten, ist der Aufbau des Oberspannungsgenerators 3 ersichtlich: Er wird gebildet aus den Transistoren T4 bis T8, den Widerständen R9 bis R14, den Kondensatoren C4 bis C9 sowie den Dioden D3 und D4. Die Transistoren T4 und T5 stellen einen astabilen Multivibrator dar, dem der Transistor T6 als Treiberstufe folgt, welcher auf der Endstufe mit den Transistoren T7 und T8 arbeitet. Die Spannungsverdopplung des Ausgangssignales wird durch die Dioden D3 und D4 sowie die Kondensatoren C8 und C9 realisiert. Dadurch daß die Diode D3 anodenseitig an der Betriebspannung angeschlossen ist, wird die erzeugte Spannung auf die Betriebsspannung aufgesetzt.

Fig. 3 zeigt auch die Gestaltung des Stromsensors 5. Der Stromsensor 5 wird gebildet aus der Spule L, der Feldplatte RFP, dem Transistor T3, den Widerständen R3 bis R8 und der Zenerdiode D2. Letztere hält den Arbeitspunkt des Stromsensors 5 bei der durch die wechselnde Belastung schwankenden Betriebsspannung konstant. Mit Hilfe der Widerstände R5 und R6, parallel zu der Feldplatte RFP geschaltet, wird die Arbeitskennlinie des Stromsensors 5 linearisiert und über den Widerstand R5, ausgelegt als Einstellwiderstand, kann der Strom, bei dem der Elektromotor 1 ausgeschaltet werden soll, eingestellt werden. Die Zeitkonstante, die sich aus der Größe des Widerstandes R8 und der Kapazität des Kondensators C3 ergibt, fängt den Einschaltstromstoß beim Einschalten des Elektromotors 1 auf.

Die Einschaltlogik 6 (Fig. 3) wird gebildet aus den Transistoren T1 und T2, den Widerständen R1 und R2, den Kondensatoren C1 und C2, dem Relais 1 sowie der Diode D1. Über die Diode D5 kann von der noch zu beschreibenden Schutzschaltung 7 her das Relais 1 ausgeschaltet werden und somit unabhängig von dem Betriebsschalter 8 (ein/aus) die gesamte Steuerung außer Betrieb gesetzt werden.

Die Ansteuerung der Brückenschaltung 2 (Fig. 2) kann mit einer Schaltungsanordnung erfolgen, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Die MOS-FET-Leistungstransistoren im unteren Zweig der Brücke T21 und T22 werden mit den Transistoren T9 und T10 für vorwärts und T14 sowie T15 für rückwärts angesteuert. Die im oberen Brückenzweig befindlichen MOS-FET-Leistungstransistoren T19 und T20 werden mit den Transistoren T11 bis T13 für vorwärts und T16 bis T18 für rückwärts angesteuert.

Die Treibertransistoren für den oberen Brückenzweig werden mit der durch den Oberspannungsgenerator 3 erzeugten verdoppelten Betriebsspannung betrieben. Die Widerstände R17, R19, R23 und R24 setzen die Einschaltgeschwindigkeit der MOS-FET- Leistungstransistoren etwas herab und dienen als Schutz für die Treibertransistoren.

Die erfindungsgemäß mögliche Schutzschaltung 7 erkennt unter anderem auch einen Kurzschluß im Verbindungskabel zu dem Elektromotor. Sollte beispielsweise einer der MOS-FET-Leistungstransistoren T19 bis T22 während eines Schaltvorganges des Elektromotors 1 durch Überlastung beschädigt werden, so setzt die Schutzschaltung 7 sofort nach Ausschalten des Elektromotors die gesamte Steuerung außer Betrieb. Die Fehlererkennung funktioniert nach dem Prinzip der Brückenverstimmung. Parallel zu den MOS-FET- Leistungstransistoren T19 bis T22 liegen die Widerstände R29 bis R32, die ihrerseits wiederum im hochohmigen Zustand der MOS-FET-Leistungstransistoren T19 bis T22 eine Brückenschaltung bilden. Über die Widerstände R36 bis R39 wird jeweils die halbe Betriebsspannung des Brückennullpunktes an die Komparatoren U1/3 und U2/2 angelegt. Werden jeweils zwei diagonal liegende MOS-FET- Leistungstransistoren T19 bzw. T22 sowie T20 bzw. T21 eingeschaltet, so bleibt die halbe Betriebsspannung an dem jeweiligen Komparatoreingang erhalten, diesmal aber gebildet durch die Widerstände R36, R37 bzw. durch R38 und R39. Liegt ein Fehlerfall vor, so führt dies im ausgeschalteten Zustand der MOS-FET-Leistungstransistoren T19 bis T22 zu einer Brückenverstimmung der Widerstandsbrücke, gebildet aus den Widerständen R29 bis R32.

Mit den Widerständen R33 bis R35 kann die Ansprechempfindlichkeit der Schutzschaltung eingestellt werden, durch den Betrag der Spannungsdifferenz an den Komparatoreingängen. Im fehlerfreien Zustand ist der Ausgangszustand der Komparatoren logisch 1, dieses Signal wird über das nachfolgende UND-Glied zusammengefaßt. Die Kondensatoren C13 bis C15 unterdrücken Störimpulse, die beim Ein- bzw. Ausschalten des Elektromotors 1 entstehen und zum Ansprechen der Schutzschaltung 7 führen könnten.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung eines an einer Nieder-Gleichspannung betriebenen Elektromotors in beiden Laufrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1) über eine Brückenschaltung (2) gesteuert wird, daß die Brückenschaltung (2) als Schalter vier MOS-FET-Leistungstransistoren (T19 bis T22) aufweist, wobei jeweils die beiden diagonal zueinander liegenden MOS-FET-Leistungstransistoren T19, T22, T20, T21) geschlossen oder geöffnet sind, daß ein Oberspannungsgenerator (7) vorgesehen ist, der, abgeleitet von der Nieder-Gleichspannung, eine höhere, am oberen Teil der Brückenschaltung (2) anliegende Gleichspannung erzeugt und daß zur Kontrolle des von dem Elektromotor (1) aufgenommenen Stromes ein Stromsensor (5) vorgesehen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den MOS-FET- Leistungstransistoren (T19 bis T22) Widerstände (R29 bis R32) angeordnet sind, die im hochohmigen Zustand der MOS-FET-Leistungstransistoren (T19 bis T22) eine Brückenschaltung bilden, deren Verstimmung über eine Einschaltlogik (6) die Steuerung des Elektromotors (1) ausschaltet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromsensor (5) eine aus wenigen Windungen bestehende Spule (L) vorgesehen ist, in deren Luftspalt eine magnetisch empfindliche Feldplatte (RFP) angeordnet ist und daß eine aus einem Transistor (T3), einer Zenerdiode (D2) und Widerständen (R3 bis R8) sowie einem Kondensator (C3) bestehende Auswerteschaltung vorhanden ist.