DE4419813A1 - Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus der DE-PS 28 20 330 ist eine Schaltungsanordnung für einen elektrischen Fensterheberantrieb bekannt, der einen Einklemmschutz aufweist. Eine Auswerteanordnung erfaßt einen durch einen Elektromotor fließenden Strom sowie eine zeitliche Stromänderung bezogen auf die Zeit. Die beiden ermittelten Kenngrößen des durch den Elektromotor fließenden Stroms werden addiert und mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Nach einer Schwellenüberschreitung wird beispielsweise der Elektromotor reversiert, so daß ein gegebenenfalls von einer Scheibe eingeklemmter Gegenstand wieder freigegeben wird. Die Auswerteanordnung enthält mehrere Kondensatoren, die jeweils mit weiteren Bauelementen Tiefpaßfilter realisieren. Die Unterdrückung von höherfrequenten Signalanteilen bei der Ermittlung der Kenngrößen bewirkt neben einer Störsignalunterdrückung auch eine Unterdrückung der Erfassung des Einschaltvorgangs, bei dem ein hoher Motorstrom auftritt, der ein Vielfaches über dem Wert des stationären Motorstroms liegen kann.

Aus der EP-A 0 116 904 ist eine Antriebsvorrichtung für eine Klappe in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen bekannt. Die Klappe wird von einem Schrittmotor betätigt. Ein sicheres Erreichen von mechanischen Endanschlägen der vom Schrittmotor betätigten Klappe wird dadurch sichergestellt, daß einerseits zu Beginn einer Betriebsphase das Steuergerät den Schrittmotor, unabhängig von der vorzugebenden Position der Klappe, mit einer maximalen Schrittzahl beaufschlagt, welche für das Erreichen eines der Endanschläge der Klappe hinreichend ist. Andererseits wird bei jedem weiteren Einstellen der Klappe in jedem der mechanischen Endanschläge der Schrittmotor zusätzlich zu den hierzu erforderlichen Schritten mit weiteren Schritten in der Bewegungsrichtung der Klappe beaufschlagt, um durch diese Überschrittzahl den jeweiligen Endanschlag der Klappe sicher zu erreichen und eventuelle Schrittverluste des Schrittmotors auszugleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors anzugeben, die eine Überlastung oder einen Blockierzustand des Elektromotors, insbesondere eines Schrittmotors, mit einfachen Mitteln erkennt.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale jeweils gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den Vorteil auf, daß durch Ermittlung wenigstens einer Kenngröße des durch einen Motor, insbesondere eines Schrittmotors fließenden Stroms ein Überlastzustand, beispielsweise ein Blockierzustand detektierbar ist.

Einer ersten Ausführung gemäß ist vorgesehen, daß die Ermittlung der wenigstens einen Kenngröße innerhalb eines Intervalls vorgesehen ist, das eine vorgegebene Zeit nach dem Einschalten des Elektromotors, ausgehend vom wenigstens näherungsweise stromlosen Zustand beginnt, und das vor dem Erreichen des stationären Motorstroms endet. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, einen Überlastungs- oder Blockierzustand bereits in der Einschaltphase des Elektromotors zu erkennen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist deshalb insbesondere geeignet bei Schrittmotoren, die mit einzelnen Einschaltimpulsen zur Vorgabe der Schrittzahl beaufschlagt werden, wobei der Stromfluß durch den Motor zumindest näherungsweise jeweils vom stromlosen Zustand ausgehend beginnt. Ein vergleichbarer Betriebszustand kann bei einem Gleichstrommotor auftreten, der mit einem getakteten Betrieb beaufschlagt wird. Im Rahmen eines solches getakteten Betriebs ist vorgesehen, daß eine vorgegebene Betriebsspannung für eine vorgegebene Impulsdauer an den Gleichstrommotor geschaltet und anschließend für eine vorgegebene Impulspause wieder abgeschaltet wird. Sowohl das Verhältnis von Impulsdauer zu Impulspause als auch die Frequenz können variabel sein. Voraussetzung für die ordnungsgemäße Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei dem getakteten Betrieb des Gleichstrommotors ist es, daß der durch den Gleichstrommotor fließende Strom innerhalb der Impulspausen wenigstens näherungsweise auf den Wert Null abnimmt.

Gemäß einer anderen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Ermittlung der wenigstens einen Kenngröße zu einem vorgegebenen Zeitpunkt vorgesehen ist, der nach dem Einschalten des Elektromotors, ausgehend vom wenigstens näherungsweise stromlosen Zustand, und vor dem Erreichen des stationären Motorstroms liegt.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind insbesondere geeignet zum Erkennen von mechanischen Endanschlägen, die eine von einem Elektromotor angetriebene Stellvorrichtung erreichen kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.

Als eine erste Kenngröße des auszuwertenden Stroms ist beispielsweise die im Intervall oder die zum bestimmten Zeitpunkt auftretende Amplitude des Stroms vorgesehen. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß als Kenngröße die Stromänderung oder die maximale Stromdifferenz ermittelt wird, die im vorgegebenen Intervall aufgetreten ist. Eine Weiterbildung dieser Maßnahme sieht vor, daß die Stromänderung auf die Zeit bezogen wird. Die Beziehung auf die Zeit entspricht einer zeitlichen Ableitung des Stroms, die sowohl innerhalb des Intervalls (Differenzenquotient) als auch zu dem vorgegebenen bestimmten Zeitpunkt (Differentialquotient) vorgenommen werden kann.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der ersten Ausführung sieht vor, daß das Intervall gleichzeitig mit dem Einschalten des Elektromotors beginnt. Diese Maßnahme stellt sicher, daß die Kenngröße lückenlos gleichzeitig mit dem Einschalten des Elektromotors erfaßbar ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die erfaßte Kenngröße mit einem vorgegebenen Schwellenwert, der beispielsweise nachführbar ausgestaltet sein kann, verglichen wird, und daß bei einer Überschreitung des Schwellenwerts ein Überlastungs- oder ein Blockierzustand erkannt und signalisiert wird. Der Blockierzustand kann beispielsweise zum Detektieren der bereits beschriebenen mechanischen Endanschläge eines vom Elektromotor betätigten Antriebs herangezogen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors und die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils Stromverläufe in Abhängigkeit von der Zeit, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 auftreten.

Fig. 1 zeigt einen Elektromotor 10, der einen Antrieb 11 betätigt. Der Antrieb 11 weist mechanische Endanschläge 12, 13 auf. Der Elektromotor 10 ist über vier Energieversorgungsleitungen 14-17 mit einer Leistungsendstufe 18 verbunden. Die Leistungsendstufe 18 erhält über Stromversorgungsleitungen 19, 20 elektrische Energie zugeführt.

Eine Steueranordnung 21 gibt Steuersignale 22 an die Leistungsendstufe 18 und ein Startsignal 23 an eine Auswerteanordnung 24 ab. Zugeführt erhält die Steueranordnung 21 ein externes Steuersignal 25 sowie ein von der Auswerteanordnung 24 erzeugtes Überlastsignal 26.

In einer der Energieversorgungsleitungen 14-17 ist ein Stromsensor 27 angeordnet, der den in der Energieversorgungsleitung 14-17 fließenden Strom erfaßt und an eine Kenngrößenermittlung 28 weiterleitet, die in der Auswerteanordnung 24 enthalten ist. Die Kenngrößenermittlung 28 gibt ein Kenngrößensignal 29 an einen Komparator 30 ab, der das Kenngrößensignal 29 mit einem vorgegebenen Schwellenwert 31 vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis das Überlastsignal 26 ausgibt. Das Startsignal 23 wird einem in der Auswerteanordnung 24 enthaltenen Zeitgeber 32 zugeführt, der eine Zeitverzögerung 33 enthält. Der Zeitgeber 32 gibt ein Aktivierungssignal 34 an die Kenngrößenermittlung 28 ab.

Fig. 2 zeigt die vom Stromsensor 27 erfaßbaren Ströme I in Abhängigkeit von der Zeit t. Ein erster Strom 40, der einen sägezahnähnlichen Verlauf aufweist, tritt im überlastfreien Betrieb des Antriebs 11 auf. Ein zweiter Strom 41 tritt auf, wenn der Antrieb 11 überlastet ist. Die Ströme 40, 41 beginnen jeweils nach einem Startzeitpunkt T₀ zu fließen. Nach Ablauf einer vorgegebenen Impulsdauer T_D fallen die Ströme 40, 41 wieder auf Null ab. Nach einer vorgegebenen Impulspause T_P wiederholt sich der Stromverlauf. Bei einer ersten Zeit T₁ beginnt ein vorgegebenes Zeitintervall T_I, das zu einer zweiten Zeit T₂ endet.

Fig. 3 zeigt die gleichen Ströme 40, 41 in Abhängigkeit von der Zeit t wie Fig. 2. Anstelle des in Fig. 2 gezeigten Zeitintervalls T_I tritt in Fig. 3 eine vom Startzeitpunkt T₀ beginnende Verzögerungszeit T_V, die bis zu einem Abtastzeitpunkt T_A reicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 arbeitet folgendermaßen:

Der Elektromotor 10 betätigt den Antrieb 11, der die beiden Endanschläge 12, 13 aufweist. Als Elektromotor 10 ist beispielsweise ein permanentmagneterregter Gleichstrommotor oder vorzugsweise ein Schrittmotor geeignet. Ein bipolarer Schrittmotor benötigt beispielsweise die in Fig. 1 eingetragenen wenigstens vier Energieversorgungsleitungen 14-17. Die für den Elektromotor 10 erforderliche Energie stellt die Leistungsendstufe 18 bereit, die sie von einer nicht näher gezeigten Energiequelle über die Stromversorgungsleitungen 19, 20 bezieht. Die Drehrichtung und gegebenenfalls die Motorleistung legt die Steueranordnung 21 in Abhängigkeit vom externen Steuersignal 25 fest und teilt sie über die Steuersignale 22 der Leistungsendstufe 18 mit.

Der durch den Elektromotor 10 fließende Strom 40, 41 wird vom Stromsensor 27 erfaßt. Bei einem Schrittmotor mit mehr als zwei Energieversorgungsleitungen 14-17 ist es ausreichend, wenn in einer ausgewählten Energieversorgungsleitung 14 der Strom 40, 41 erfaßt wird.

Als Stromsensor 27 ist beispielsweise ein Shunt-Widerstand oder ein Erfassen eines Spannungsabfalls an einem Endstufenbauelement geeignet. Vorzugsweise wird der Strom über sein begleitendes Magnetfeld erfaßt. Geeignete Elemente sind beispielsweise Hallsensoren, magnetoresistive Elemente oder beispielsweise induktive Strommeßzangen.

Der vom Stromsensor 27 erfaßte Strom wird zur Auswerteanordnung 24 weitergeleitet, die in der Kenngrößenermittlung 28 wenigstens eine bestimmte Kenngröße des Stroms 40, 41 erfaßt. Das daraus resultierende Kenngrößensignal 29 wird im Komparator 30 mit dem vorgegebenen Schwellenwert 31 verglichen. In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis gibt der Komparator 30 das Überlastsignal 26 an die Steueranordnung 21 ab.

Das Überlastsignal 26 signalisiert, daß im Antrieb 11 ein Überlastzustand aufgetreten ist. Ein solcher Überlastzustand tritt beispielsweise durch Blockieren des Elektromotors 10 oder des Antriebs 11 auf. Das Blockieren findet insbesondere beim Erreichen eines der Endanschläge 12, 13 statt. Das Überlastsignal 26 signalisiert somit das Erreichen eines der Endanschläge 12, 13.

Bei einem als Schrittmotor ausgestalteten Elektromotor 10 kann die Steueranordnung 21 durch gezieltes Anfahren der beiden Endanschläge 12, 13 die erforderliche Schrittzahl selbst ermitteln und auf diese Weise eine Kalibrierung durchführen. Ziel der Kalibrierung ist es, einer vorgegebenen Position des Antriebs 11 zwischen den Anschlägen 12, 13 eine bestimmte Anzahl von bereitzustellenden Schritten zuzuordnen. Mit dieser Maßnahme ist eine Kalibrierung nicht nur bei der Erstinbetriebnahme, sondern auch später im Einsatz jederzeit möglich. Eine Streuung in einer Serienfertigung des Antriebs 11, alterungsbedingte Änderungen, Elastizitätsänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur sowie ein zeitabhängiges mechanisches Spiel können somit jederzeit berücksichtigt und ausgeglichen werden. Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben des Elektromotors 10 daher zur Verwendung im Kraftfahrzeug, das extrem rauhen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. Als Antrieb 11 ist beispielsweise ein Klappenantrieb in einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist eine zeitabhängige Ermittlung der Kenngröße vorgesehen. Die Zeitsteuerung übernimmt der Zeitgeber 32, der die Zeitverzögerung 33 enthält. Die Zeitabläufe werden näher anhand der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Stromverläufe I in Abhängigkeit von der Zeit t erläutert.

Gemäß einer ersten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Ermittlung der Kenngröße innerhalb des in Fig. 2 gezeigten Zeitintervalls T_I vorgesehen, das bei der ersten vorgegebenen Zeit T₁ nach dem Einschalten des Elektromotors 10 zum Startzeitpunkt T₀ beginnt, und das zur zweiten vorgegebenen Zeit T₂ endet. Wesentlich ist es, daß der Elektromotor 10 zum Startzeitpunkt T₀ wenigstens näherungsweise im stromlosen Zustand ist, und daß das Intervall T_I vor dem Erreichen des stationären Motorstroms zur zweiten Zeit T₂ endet. Diese Maßnahmen stellen sicher, daß lediglich die Einschaltphase für die Ermittlung der Kenngröße herangezogen wird. Diese Einschaltphase kann erheblich kürzer als die Impulsdauer T_D sein.

Ein Überlastungszustand äußert sich in unterschiedlichen Verläufen der Ströme 40, 41. Während der nichtüberlastete Fall dem Strom 40 entspricht, liegt beim Strom 41 der Überlastungsfall vor. Als geeignete Kenngröße kann beispielsweise die im Intervall T_I aufgetretene Stromamplitude ermittelt und als Kenngrößensignal 29 ausgegeben werden. Eine weitere, geeignete Kenngröße ist die Stromänderung, die innerhalb des Intervalls T_I aufgetreten ist. Die Ermittlung der Stromänderung erfolgt durch Aufteilung des Zeitintervalls T_I in eine vorgegebene Anzahl von Teilintervallen, in denen die Stromdifferenz zwischen Teilintervallbeginn und Teilintervallende jeweils ermittelt und anschließend aufsummiert werden.

Eine andere Kenngröße sieht die Stromänderung innerhalb des gesamten Intervalls T_I bezogen auf die Intervallzeit T_I vor. Weiterhin ist es möglich, anstelle eines Differentenquotienten zumindest näherungsweise die Steigung des Stroms 40, 41 als Differenzialquotienten zu ermitteln. Von den innerhalb des Zeitintervalls T₁ ermittelten mehreren Differentialquotienten kann beispielsweise der Maximalwert herausgesucht und als Kenngrößensignal 29 ausgegeben werden. Eine andere Kenngröße ist der zeitliche Mittelwert des Stroms 40, 41 im Zeitintervall T_I.

In durchgeführten Versuchen mit einem als Schrittmotor ausgestalteten Elektromotor 10 hat sich herausgestellt, daß im Überlastungsfall ein rascherer Stromanstieg erfolgt. Demzufolge treten höhere Stromwerte zu einem früheren Zeitpunkt nach dem Startzeitpunkt T₀ im Überlastungsfall als ohne Überlastung auf. Das Intervall T_I kann an diese Gegebenheiten experimentell angepaßt werden. Der Elektromotor 10 wird innerhalb der Impulsdauer T_D mit Energie versorgt und anschließend abgeschaltet. Der Strom 40, 41 nimmt nach der Impulsdauer T_D wieder auf den Wert Null innerhalb der Impulspause T_P ab. Es ist darauf zu achten, daß die Impulspause T_P solange bemessen ist, daß der Strom 40, 41 zumindest näherungsweise auf Null abnehmen kann. Ein getakteter Betrieb eines Gleichstrommotors, bei dem keine Stromlücken zwischen den einzelnen Impulsdauern T_D auftreten, reduziert die Detektionssicherheit des Überlastzustandes.

Die erste Zeit T₁, die dem Beginn des Zeitintervalls T_I entspricht, kann mit dem Startzeitpunkt T₀ zusammenfallen.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben des Elektromotors 10, bei der anstelle des in Fig. 2 gezeigten Zeitintervalls T₁ eine Abtastung des Stroms 40, 41 zu einem vorgegebenen Abtastzeitpunkt T_A vorgesehen ist. Der Abtastzeitpunkt T_A ist vom Startzeitpunkt T₀ die vorgegebene Verzögerungszeit T_V entfernt, welche die Zeitverzögerung 33 im Zeitgeber 32 vorgibt. Diese Ausführung ist insbesondere geeignet, wenn als Kenngröße der Momentanwert oder die Amplitude des Stroms 40, 41 oder der Differentialquotient zum Abtastzeitpunkt T_A ermittelt werden soll.

Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte erste und zweite Zeit T₁, T₂, die das Zeitintervall T₁ festlegen sowie die Verzögerungszeit T_V und der Abtastzeitpunkt T_A werden jeweils von dem in der Auswerteanordnung 24 enthaltenen Zeitgeber 32 ermittelt und als Aktivierungssignal 34 der Kennwertermittlung 28 zugeführt. Ausgangspunkt ist jeweils das Startsignal 23, das dem Startzeitpunkt T₀ entspricht. Die im Zeitgeber 32 enthaltene Zeitverzögerung 33 gibt entweder die Zeit zwischen dem Startzeitpunkt T₀ und der ersten Zeit T₁ oder die Verzögerungszeit zwischen dem Startzeitpunkt T₀ und dem Abtastzeitpunkt T_A vor.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors, mit Mitteln zum Erfassen eines durch den Elektromotor fließenden Stroms und mit einer Auswerteanordnung, die wenigstens eine Kenngröße des Stroms auswertet, mit einem Schwellenwert vergleicht und bei Überschreitung des Schwellenwertes ein Überlastsignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Kenngröße innerhalb eines Zeitintervalls (T₁) vorgesehen ist, das eine erste vorgegebene Zeit (T₁) nach einem Startzeitpunkt (T₀) beginnt, wobei der Elektromotor (10) zum Startzeitpunkt (T₀) ausgehend vom wenigstens näherungsweise stromlosen Zustand eingeschaltet wird, und das vor dem Erreichen des stationären Motorstroms (40, 41) zu einer zweiten vorgegebenen Zeit (T₂) endet.

2. Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors, mit Mitteln zum Erfassen eines durch den Elektromotor fließenden Stroms und mit einer Auswerteanordnung, die wenigstens eine Kenngröße des Stroms auswertet, mit einem Schwellenwert vergleicht und bei Überschreitung des Schwellenwertes ein Überlastsignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Kenngröße zu einem vorgegebenen Abtastzeitpunkt (T_A) vorgesehen ist, der nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit (T_V) nach einem Startzeitpunkt (T₀) liegt, bei dem der Elektromotor (10) ausgehend vom wenigstens näherungsweise stromlosen Zustand eingeschaltet wird, und der vor dem Erreichen des stationären Motorstroms (40, 41) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorgegebene Zeit (T₁) mit dem Startzeitpunkt (T₀) zusammenfällt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kenngröße der zeitliche Mittelwert und/oder die Amplitude und/oder die Stromänderung und/oder die maximale Stromdifferenz und/oder wenigstens ein Differenzenquotient aus Strom und Zeit innerhalb des Zeitintervalls (T₁) ermittelt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kenngröße der momentane Strom (40, 41) und/oder der Differentialquotient aus Strom (40, 41) und Zeit (t) zum Abtastzeitpunkt (T_A) ermittelt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlastsignal (26) ein Blockiersignal ist, das ein Blockieren eines vom Elektromotor (10) betätigten Antriebs (11) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Blockiersignal anzeigt, das ein Endanschlag (12, 13) des Antriebs (10) erreicht ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektromotor (10) ein Schrittmotor vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, bei der der Elektromotor (10) eine Klappe betätigt, die wenigstens einen Endanschlag (12, 13) im Betrieb erreicht.