DE4403274A1

DE4403274A1 - Schaltungsanordnung zur Steuerung von Verstelleinrichtungen

Info

Publication number: DE4403274A1
Application number: DE19944403274
Authority: DE
Inventors: Gerhard Juerjens; Peter Heinrich
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1995-08-10

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung von Verstell einrichtungen, die eine Überwachungsschaltung für thermische Überlastzustände von elektrischen oder elektronischen Komponenten, wie z. B. Motoren oder Relais, beinhaltet und sich besonders zur Anwendung in Verstelleinrichtungen von Kraftfahrzeugen eignet.

Allgemein gebräuchlich ist die Anwendung mechanischer Bimetall-Thermoschal ter, die vorzugsweise im Antriebsmotor integriert sind. Der Thermoschalter bzw. seine Einstellung ist so gewählt, daß bei Erreichen der Belastungsgrenze des Motors die Stromzuführung unterbrochen wird. Nach einer hinreichenden Ab kühlung stellt der Thermoschalter die elektrische Verbindung wieder her, so daß die Verstelleinrichtung wieder betrieben werden kann.

Bei einer Anordnung des Thermoschalters innerhalb des Motorgehäuses besteht zum Motor eine relativ gute thermische Kopplung. So kommt die zum Auslösen des Schaltvorgangs notwendige thermische Energie nicht nur aus der Stromwärme des Thermoschalters, sondern im erheblichen Maße auch aus der vom Motor ent wickelten Wärme.

Nachteilig ist jedoch, daß der Thermoschalter auf die jeweilige zu schaltende Leistung abgestimmt sein muß, was oft zu relativ großen Kontaktflächen führt. Darüber hinaus muß der Grad der thermischen Kopplung zwischen dem Thermo schalter und der zu schützenden Komponente berücksichtigt werden, was im wesentlichen von seiner Anordnung in der Verstelleinrichtung abhängen wird. Außerdem muß bei hochbelasteten und eventuell oft aktivierten Thermoschaltern mit einer nennenswerten Ausfallrate gerechnet werden, was gleichbedeutend mit dem Ausfall des gesamten Verstellsystems ist.

Ein anderer Nachteil besteht darin, daß bei Auslösung der Thermoschalterfunk tion jegliche Möglichkeit des Zugriffs auf die Verstelleinrichtung unter brochen ist. Dies gilt auch für eine eventuell erforderliche Notbetätigung, um einen gleichzeitig eingetretenen Kollisionszustand aufzuheben. Eine solche, in der Regel sehr kurzzeitige Notbetätigung kann zur Vermeidung von Schäden sehr wichtig sein, ohne das Risiko der thermischen Überlastung spür bar zu erhöhen.

Eine andere Möglichkeit zum Schutz vor thermischer Überlastung der betreffen den Komponenten besteht in der Verwendung eines separaten Temperatursensors, dessen Signal in ein für eine Auswerteeinheit lesbares Signal gewandelt wird.

Es ist aber auch die Quantifizierung des Sensorsignals anhand einer Ver gleichsgröße möglich, bevor die Eingabe in eine digital arbeitende Auswerte einheit erfolgt.

Eine anwendungsspezifische Informationsverarbeitung, z. B. unter Berück sichtigung der elektrischen Arbeit, der thermischen Verlustleistung und der Wärmekapazität der zu schützenden Komponente, gewährleistet dann die Berechnung des Abschaltpunktes und den Zeitpunkt der frühestmöglichen Wieder zuschaltung des Systems (siehe hierzu auch DE 40 38 198 A1 und DE 42 16 040 A1).

Der Nachteil der zuletzt beschriebenen Variante besteht in der Verwendung eines separaten Temperatursensors zur Ermittlung der Temperatur der zu schützenden Komponente, was mit einem erhöhtem technischen Aufwand verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Steuerung von Verstelleinrichtungen, insbesondere von Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeugen zu entwickeln, deren Schutz vor thermischer Überlastung durch eine Überwachungsschaltung gewährleistet wird, die Bestandteil der elektronischen Steuereinheit des Verstellsystems ist. Zusätzliche Bauelemente sollen nicht zum Einsatz kommen, um die Herstellungskosten zu minimieren und die Zuverlässigkeit der Verstelleinrichtung zu erhöhen. Außerdem soll auch nach dem Ansprechen des Überlastschutzes noch eine Notbetätigung möglich sein, indem bei Bedarf ein begrenzter Verstellweg bzw. eine begrenzte Ver stellzeit durch einen entsprechenden Stellbefehl realisiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß entweder der Kondensator oder der Widerstand des RC-Gliedes oder ein temperaturabhängiges Bauelement des Rechteckgenerators einer elektronischen Steuereinheit der Verstellvor richtung zusätzlich als Temperatursensor fungiert. Der Widerstand des RC- Gliedes ist dabei stets an einer stabilisierten Spannung angeschlossen. Durch eine an die speziellen Bedürfnisse der Verstelleinrichtung angepaßte, insbe sondere an die Gegebenheiten der thermisch zu überwachenden elektrischen bzw. elektronischen Komponente (z. B. Relais, Elektromotor) angepaßte Auswerte logik wird im Rechenteil der elektronischen Steuereinheit der Abschaltpunkt berechnet. Ebenso erfolgt die Berechnung des frühestmöglichen Zuschaltpunktes, damit ein hinreichend großer Verstellweg ohne Unterbrechung durchfahren werden kann.

Allerdings ist durch das Logikprogramm vorgesehen, daß zumindest beim Zusammenfallen eines Kollisionszustandes mit einem thermischen Überlastzu stand die Verstelleinrichtung nochmals für einen begrenzten Verstellweg bzw. eine begrenzte Verstellzeit aktiviert werden kann, um den Kollisionszustand wieder zu lösen. Der Abschaltpunkt wurde deshalb so gewählt, daß die Notbe tätigung nicht zur Zerstörung oder Beschädigung der zu schützenden Komponente führt.

In Abhängigkeit von der Wahl der in den Unteransprüchen aufgeführten Ausführungsbeispiele besteht zwischen dem als Sensor fungierenden temperaturabhängigen Bauelement und der thermisch zu überwachenden Komponente eine mehr oder weniger starke thermische Kopplung. Die stärkste thermische Kopplung kann vorausgesetzt werden, wenn das sensorische temperaturabhängige Bauelement im direkten, möglichst großflächigen Körperkontakt mit der zu überwachenden Komponente steht. Der Wärmetransport wird dann überwiegend durch Wärmeleitung erfolgen. So kann beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand eingebettet in einer Wärmeleitpaste direkt auf der Wicklung eines Relais angeordnet sein.

Eine weniger intensive und wegen veränderlicher Randbedingungen auch nicht immer konstante thermische Kopplung wird durch Wärmestrahlung und/oder Konvektion zwischen der zu überwachenden Komponente und dem sensorischen temperaturabhängigen Bauelement erreicht. Solche Bedingungen können bspw. vorliegen, wenn das temperaturabhängige Bauelement innerhalb des Gehäuses eines Kommutatormotors platziert ist. Die Wärme gelangt von den Ankerwick lungen durch Strahlung und durch Konvektion (Strömung der erwärmten Luft) zum Sensor.

Sollte man auf eine thermische Kopplung völlig verzichten, dann nimmt das sensorische Bauelement stets nur die Temperatur seiner unmittelbaren Umge bung an. Schlußfolgerungen über die Temperatur der zu schützenden Komponente sind dann nur unter Hinzuziehung seiner thermischen Verlustleistung und Wär mekapazität möglich. Eine Recheneinheit bestimmt unter Berücksichtigung dieser und eventuell weiterer Informationen die aktuelle Temperatur bzw. den Abschaltpunkt. Zur Berechnung des Anschaltpunktes müssen darüber hinaus noch Informationen über das Abkühlverhalten der zu überwachenden Komponente vor liegen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dar gestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schaltungsanordnung mit triggerbaren Rechteckgenerator, beschaltet mit einem RC-Glied, dessen Kondensator als Temperatursensor fungiert;

Fig. 2 wie Fig. 1, jedoch fungiert der Widerstand als Temperatursensor;

Fig. 3 wie Fig. 1, jedoch fungiert ein elektronisches Bauelement des triggerbaren Rechteckgenerators als Temperatursensor.

Die Bedeutung eines thermischen Überlastschutzes nimmt insbesondere in der Kraftfahrezugtechnik stark zu, da durch die steigende Verwendung immer kompakterer elektromotorischer Antriebe mit gesteigerter Leistungsdichte deren Aufheizung stark beschleunigt ist. Zum Einsatz kommen solche Antriebe beispielsweise in elektrischen Fensterhebern, Schiebedächern, Sitzver stellungen und Zuziehhilfen für Türen und Klappen.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Schaltungsanordnungen könnten z. B. zur Steuerung elektrischer Fensterheber in Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommen, wobei die vor einer thermischen Überlastung zu schützende Komponente 4 den Elektromotor des Antriebes repräsentiert. Gemäß der Erfindung übernimmt ein ohnehin in der Steuerschaltung vorhandenes elektronisches Bauelement C, R, 10 die Funktion eines Temperatursensors. Auch die Be- und Verarbeitung des temperaturabhängigen Signals erfolgt durch Bauelemente, die zur Steuerschal tung des Antriebes gehören.

Zur Aufrechterhaltung eines energiesparenden Betriebs der Steuerschaltung sind folgende Verknüpfungen zwischen den Bauelementen vorgesehen:

Dem anwendungsspezifischen Schaltkreis ASIC ist ein Rechteckgenerator 1 auf geschaltet, der mit einem RC-Glied (Widerstand R und Kondensator C) über die Leitung 126 in Verbindung steht. Der Widerstand R ist andererseits über die Leitung 12 mit einer stabilisierten Spannungsquelle 2 verbunden, während der Kondensator andererseits über die Leitung 16 an der Masse 6 angeschlossen ist.

Über die Signalleitungen 13, 31 besteht auch eine Verknüpfung zwischen dem Rechteckgenerator 1 und dem Microcomputer 3. Solange der Microcomputer 3 ar beitet gibt er über die Signalleitung 31 in einem gewissen Abstand Triggersignale an den Rechteckgenerator 1. Während dieser Zeit erfolgt keine Signal generierung durch den Rechteckgenerator 1. Erst wenn der Microcomputer ausge schaltet oder programmgesteuert in den Stop-Mode übergeht und deshalb keine Triggersignale mehr übermittelt, wird der Rechteckgenerator 1 aktiviert und liefert ein periodisches Rechtecksignal 130 über die Signalleitung 13 an den Microcomputer 3.

In Abhängigkeit von der installierten Software wird der Microcomputer 3 ent weder durch die High-Flanke oder die Low-flanke des Rechtecksignals 130 aus dem Stop-Mode in den Arbeitszyklus geführt. Nun durchläuft der Microcomputer 3 ein internes Programm, das ihm erlaubt, eventuelle Eingangsfunktionen (z. B. infolge Tastenbetätigung) zu erkennen und darauf zu reagieren. Über die beiden Signalleitungen 34a, 34b zu der vor thermischer Überlastung zu schützenden Komponente 4 (z. B. Kommutatormotor) erfolgt die Ansteuerung. Je nachdem welche binäre Kodierung über die Signalleitungen 34a, 34b anliegen, wird der Motor 4 zur Linksdrehung, oder zur Rechtsdrehung veranlaßt oder in den Ruhezustand versetzt. Während dieser Zeit erhält der Rechteckgenerator 1 wieder Triggersignale vom Microcomputer 3. Sollte seitens des Microcomputers 3 keine Aktivität nötig bzw. mehr nötig sein, so geht dieser wieder in den Stop-Mode über.

Erfindungsgemäß wird die voran beschriebene Schaltungsanordnung gleichzeitig als Überwachungsschaltung für thermische Überlastzustände einer elektrischen oder elektronischen Komponente 4 eingesetzt, wobei ein elektronisches Bau element dieser Schaltungsanordnung - und zwar der Widerstand R oder der Kondensator C des RC-Gliedes oder ein Bauelement 10 des Rechteckgenerators - temperaturabhängige Kennlinien aufweisen.

Das temperaturabhängige Bauelement R, C, 10 nimmt die Temperatur seiner Um gebung an und beeinflußt entsprechend die Generierung der Rechtecksignale 130 im Rechteckenerator 1, deren Periodendauer t ein Maß für die Temperatur ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Bauelementen R, C, 10 mit einem stark temperaturabhängigen, linearen Verhalten.

Aufgrund einer geeigneten Software (Auswertelogik) ermittelt der Micro computer 3 nach dem Verlassen des Stop-Modus aus dem Rechtecksignal 130 des Rechteckgenerators 1 die Umgebungstemperatur bzw. verwendet die ermittelte Periodendauer t als temperaturabhängige Größe direkt zur Berechnung eines Ab schaltpunktes und eines frühest möglichen Einschaltpunktes. Diese berechneten Werte werden in einem Speicher abgelegt. Danach geht der Microcomputer in seinem üblichen Arbeitszyklus und überwacht beispielsweise die Eingangsfunk tionen.

Die Ermittlung des Abschaltzeitpunktes basiert, neben der Temperatur, auch auf der thermischen Verlustleistung und der Wärmekapazität der Komponente 4 und ggf. auf weiteren Einflußgrößen. Zur Bestimmung des Einschaltzeitpunktes muß vor allem der Isolationsgrad der Komponente 4 und bei relativ großer Kompaktheit der Komponente 4 auch dessen Wärmeleitvermögen berücksichtigt werden. Aufgrund der insgesamt doch sehr komplexen Einflüsse ist die empirische Ermittlung der funktionellen Zusammenhänge, mit deren Hilfe der Microcomputer den Abschalt- und Einschaltpunkt berechnen kann, am einfachsten und dennoch hinreichend präzise. In der Regel ist dafür nur eine begrenzte Anzahl von Versuchen notwendig.

Für die meisten Anwendungen wird es ausreichend sein, wenn die Temperatur messung, d. h. die Bestimmung des Abschalt- und Einschaltpunktes, nur bei einem Bruchteil der internen Überwachungszyklen der Schaltungsanordnung erfolgt. Zur erfindungsgemäßen Überwachung von thermischen Überlastzuständen von Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeugen wird es im allgemeinen ausreichend sein, wenn eine Temperaturmessung bzw. Schaltpunktbestimmung nur bei jeder 10. bis 20. Aktivierung des Microcomputers durchgeführt wird.

An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, daß eine Temperaturmessung während der Ansteuerung des Bauelements 4 (z. B. Motor) nicht möglich ist, wenn der (Weck-) Eingang zum Aktivieren des Microcomputers 3 mit dem Eingang zur Messung der Temperatur identisch ist.

Bei Erreichen des Abschaltpunkts schaltet der Microcomputer 3 die Komponente 4 (Motor, Relais o ä.) aus. Nach einer gewissen Zeit geht der Microcomputer 3 in den Stop-Modus über und beginnt mit einer zyklischen Temperaturmessung, auf deren Basis jeweils der aktuelle Einschaltpunkt ermittelt wird. Bei Erreichen dieses frühest möglichen Einschaltpunktes wird der Microcomputer 3 die Komponente 4 wieder bestromen, falls ein entsprechendes Eingangssignal anliegt. Zum gleichem Zeitpunkt steht die zur Verfügung stehende Arbeits kapazität und somit der Abschaltpunkt fest. Der Abstand zwischen dem Ab schaltpunkt und dem frühestmöglichen Einschaltpunkt sollte so gewählt werden, daß das System nicht in Schwingung kommt.

Für den Fall, daß in der Abkühlphase und bei Erreichen des frühestmöglichen Einschaltzeitpunktes kein Eingangssignal zur Aktivierung der Komponente 4 vorliegt, führen die weiteren zyklischen Temperaturmessungen zu einer ent sprechenden Korrektur des aktuellen Abschaltpunktes, was einer adäquaten Er höhung der bereitstehenden Arbeitskapazität entspricht. So ist es möglich, die Verfügbarkeit der Komponente 4 zu optimieren.

In Abhängigkeit von den spezifischen Bedürfnissen des Anwendungsfalls sollte ein geeigneter Grad an thermischer Kopplung 5 (nur symbolische Darstellung) zwischen der zu überwachenden Komponente 4 und dem als Sensor fungierenden temperaturabhängigen Bauelement R, C, 10 gewählt werden. Beispielsweise könnte eine thermische Kopplung 5 dann völlig vermieden werden, wenn die mögliche Überlastung von der Umgebungstemperatur dominiert wird bzw. nur davon abhängig gemacht werden soll.

Eine von Wärmestrahlung und Konvektion dominierte thermische Kopplung des Bauelements C, R, 10 liegt in der Regel vor, wenn das Bauelement innerhalb des Gehäuses eines Elektromotors angeordnet ist. Sollte sich das temperaturabhängige Bauelement R, C, 10 in unmittelbarem Kontakt mit den wärmeerzeugenden Bereichen der Komponente 4 befinden, so wird mit einer thermischen Kopplung infolge überwiegender Wärmeleitung zu rechnen sein.

Bezugszeichenliste

1 Rechteckgenerator
2 Spannungsstabilisierung
3 Microcomputer
4 vor thermischer Überlastung zu schützende Komponente
5 thermische Kopplung (symbolische Darstellung)
6 Masse
10 temperaturabhängiges elektronisches Bauelement
12 Leitung
13 Signalleitung
16 Leitung
31 Signalleitung
34a Signalleitung
34b Signalleitung
126 Leitung
130 Rechtecksignal (vom Rechteckgenerator an Microcomputer)
t Periodendauer
R Widerstand
C Kondensator
ASIC anwendungsspezifischer Schaltkreis

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung von Verstelleinrichtungen, insbesondere von Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeugen, die eine Überwachungsschaltung für thermische Überlastzustände beinhaltet und im wesentlichen aufgebaut ist aus einem triggerbaren Rechteckgenerator, der mit einem RC-Glied beschaltet ist, dessen Widerstand an einer stabilisierten Spannung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Kondensator (C) oder der Widerstand (R) des RC-Gliedes oder ein Bauelement (10) des Rechteckgenerators (1) ein temperaturabhängiges Bau element zur Überwachung der Temperatur einer elektrischen oder elektronischen Komponente (4) der Verstelleinrichtung ist und als Temperatursensor fungiert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement (C, R, 10) mit der zu überwachenden Komponente (4) keine thermische Kopplung aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement (C, R, 10) mit der zu überwachenden Komponente (4) durch Wärmestrahlung und/oder Konvektion thermisch gekoppelt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement (C, R, 10) auf bzw. in der zu überwachenden Komponente (4) angeordnet ist und die thermische Kopplung überwiegend durch Wärmeleitung erfolgt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement im zu überwachenden Temperaturbereich ein starkes, lineares Verhalten zeigt.