DE60205268T2

DE60205268T2 - Überstromschutz für motorsteuerungsschaltung

Info

Publication number: DE60205268T2
Application number: DE60205268T
Authority: DE
Inventors: Nigel David Strike; Henry Riddoch
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: GB2380623A; GB2380873B; US20040218320A1; EP1433235B1; EP1433235A1; GB0223648D0; WO2003032460A1; GB2380873A; GB2380623B; DE60205268D1; JP4188237B2; GB0123988D0; CN1565070A; ATE300799T1; JP2005506027A

Description

Die Erfindung betrifft einen Motorsteuerschaltkreis und insbesondere einen Überstromschutz in einem Motorsteuerschaltkreis für einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
Die 1 der beigefügten Zeichnungen ist eine schematische Schaltkreisdarstellung eines üblichen bürstenlosen Gleichstrommotor-Steuerschaltkreises zur Verwendung in Anwendungen wie Lüfter-Ventilatoren. Dieser Schaltkreis verwendet einen Mikrocontroller, um den Motor zu steuern.
In dem Motorsteuerschaltkreis von 1 wird die Versorgungsspannung einer oberen Schiene zugeführt, beispielsweise zwischen 18 und 32 Volt Gleichspannung oder zwischen 36 und 60 Volt Gleichspannung, abhängig von den Motoranforderungen. Die Motorwicklungen 1 sind mit einer Vollwellen-Brückenschaltung verbunden, die aus vier n-Typ-FETs 2a, 2b, 2c, 2d besteht, wobei die oberen beiden FET-Einrichtungen 2a, 2b von einem Paar Ladungspumpenschaltungen (IR2104) 3a, 3b angesteuert werden. Die Ladungspumpenschaltungen empfangen jeweils eine direkte Ansteuerung von dem Mikrocontroller-IC 4, beispielsweise ein PIC16C712, und sind beide über einen zugeordneten Kondensator 5a, 5b mit der Spannungsversorgung der oberen Schiene verbunden.
Ein Spannungsregler 6 mit einem linearen Gleichstrom/Gleichstrom-Umwandler versorgt den Mikrocontroller-IC 4 mit 5 Volt Gleichspannung. Jedoch wird eine Spannung benötigt, um zwei der vier FETs anzuschalten, die höher liegt als die, die von dem Spannungsregler vorgesehen wird, wodurch sich die Notwendigkeit der Ladungspumpenschaltungen für die FETs in der oberen Hälfte der Vollwellen-Brückenschaltung ergibt. Die Drains der FETs in der unteren Hälfte der Brücke sind mit einem Widerstand 7 verbunden, um einen Ausgang vorzusehen, um den von den Motorwicklungen 1 entnommenen Strom zu erfassen.
Die zwei n-Typ-FETs 2a und 2b können durch p-Typ-FETs ersetzt werden, jedoch sind diese teuer, nicht leicht verfügbar, und weniger effizient als n-Typ-FETs.
Es besteht die Gefahr, die Motorwicklungen durch eine Überlast oder einen Überstrom zu beschädigen, und daher wird der (von Widerstand 7) entnommene Strom regelmäßig von dem Mikrocontroller-IC 4 abgefragt, um zu gewährleisten, daß dieser unter einem vorbestimmten Schwellwert bleibt, wobei dann, wenn der Schwellwert überschritten wird, der Mikrocontroller-IC 4 die Stromversorgung zu den Wicklungen 1 unterbricht, indem die unteren zwei FETs 2c, 2d abgeschaltet werden.
Der in dem Mikrocontroller-IC 4 eingestellte Strom-Schwellwert kann typischerweise durch Software gesteuert werden. Jedoch sind mit der Schaltung von 1 und anderen ähnlichen Formen der Stromerfassung und des Überstromschutzes Probleme verknüpft. Während solche elektrisch geschützten Motoren einfach abschalten, wenn ein Überstrom erfaßt wird, ist es möglich, daß der Mikrocontroller den erfaßten Strom nicht oft genug oder nicht schnell genug abfragt, um einen möglichen Überstrom zu detektieren, und er kann daher beim Abschalten der Versorgung des Motors versagen, bevor die Wicklungen oder FETs beschädigt werden. Idealerweise sollte das Detektieren einer möglichen Überstromsituation und die Reaktion darauf weniger als 10 Millisekunden beanspruchen. Die Reaktionszeit des Mikrocontroller-ICs 4, einen Überstrom zu erfassen und Schaden abzuwenden, ist daher durch seine Verarbeitungsgeschwindigkeit limitiert – wodurch sich eine nicht wünschenswerte Situation ergibt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Schwierigkeiten zu überwinden und einen Motorsteuerschaltkreis vorzusehen, der nicht von der Verarbeitungsgeschwindigkeit oder der Abfragefrequenz des Mikrocontroller-ICs 4 abhängt.
Demgemäß sieht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Motorsteuerschaltkreis zum Steuern eines Motors vor, wobei der Schaltkreis einen Mikrocontroller aufweist, der einen Ansteuerstrom an die Wicklungen des zu steuernden Motors anlegen kann und einen Unterbrechungseingang aufweist, der dann, wenn er getriggert bzw. ausgelöst wurde, den zu den Wicklungen fließenden Ansteuerstrom unterbricht, sowie eine Schwellwertschaltung eingerichtet ist, zu ermitteln, ob ein Signal, das einen Wicklungsstrom angibt, einen Bezugspegel überschreitet, und falls dies zutrifft, den Unterbrechungseingang triggern kann, wobei die Schwellwertschaltung einen Referenzpegel-Einstellschaltkreis zum Einstellen eines variablen Referenzpegels und einen Vergleicherschaltkreis aufweist, um den Wicklungsstrom mit dem variablen Referenzpegel zu vergleichen.
Vorteilhafterweise ist der variable Referenzpegel softwaregesteuert.
Vorzugsweise umfaßt der Referenzpegel-Einstellschaltkreis ein Tiefpaßfilter, das von einer Impulswellenform mit variabler Frequenz und/oder mit variablem Tastverhältnis gespeist wird, wobei der Ausgang des Tiefpaßfilters eine variable Referenzspannung umfaßt.
Vorteilhafterweise ist die Impulswellenform mit variabler Frequenz und/oder mit variablem Tastverhältnis eine Ausgabe des Mikrocontrollers.
Vorteilhafterweise ist die Frequenz der Wellenform softwaregesteuert.
Im folgenden sind Ausführungen der vorliegenden Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, um diese besser verstehen zu können, wobei:
1 einen schematischen Schaltplan eines üblichen Motorsteuerschaltkreises zeigt;
2 einen schematischen Schaltplan eines Motorsteuerschaltkreises, bei dem ein fester Referenzpegel eingestellt zeigt, und
3 einen schematischen Schaltplan eines Motorsteuerschaltkreises, der die vorliegende Erfindung implementiert zeigt.
In 2 ist ein Motorsteuerschaltkreis dargestellt, wobei Komponenten, die denen der 1 ähneln, die gleichen Bezugszeichen tragen.
In dem in 1 dargestellten Motorsteuerschaltkreis wird der durch die Motorwicklung fließende Strom von dem Widerstand 7 erfaßt bzw. gefühlt und einem softwaregesteuerten Schwellwertdetektor zugeführt, der in dem Mikrocontroller-IC 4 vorgesehen ist. Im Gegensatz hierzu entfällt diese Vorrichtung in den Motorsteuerschaltkreis von 2, und ein Operationsverstärker oder eine andere Form von Komparator 8 wird mit dem erfaßten Strom versorgt. Der erfaßte Strom wird einem ersten Eingang 9 eines Komparators 8 zugeführt, und der zweite Eingang 10 des Komparators wird mit dem Verknüpfungspunkt der zwei Widerstände 11, 12 versorgt, die eine Spannungsteilerschaltung bilden. Die Widerstände 11, 12 sind seriell zwischen dem Ausgang des linearen Gleichstrom-Gleichstrom-Umwandlers (Spannungsregler) 6 und der unteren Schiene geschaltet. Der Spannungsteiler stellt eine Referenzspannung ein, die repräsentativ für den Schwellenstrom ist, der in einer Überstromsituation von dem durch den Stromfühlwiderstand 7 fließenden erfaßten Strom nicht überschritten werden kann. Es ist wichtig zu bemerken, daß der Ausgang des Komparators 8 einem Unterbrechungsein gang bzw. Interrupteingang 13 des Mikrocontrollers IC 4 zugeführt wird. Der Komparator 8 und der Spannungsteiler umfassen eine Schwellenwertschaltung, die dafür eingerichtet ist, zu ermitteln, ob ein Signal, das einen Wicklungsstrom wiedergibt (d.h. der erfaßte Strom), einen Referenzpegel überschreitet.
Wenn der Schwellenstrom, welcher von der durch den Spannungsteiler eingestellten Referenzspannung ermittelt wird, überschritten wird, wird der Unterbrechungseingang ausgelöst, und der Mikrocontroller-IC 4 schaltet sofort die Energieversorgung der Wicklungen 1 ab. Diese Anordnung bietet eine Echtzeit-Strombegrenzung oder -schutz, wohingegen die Reaktionszeit bei üblichen Techniken durch die Antwortzeit des internen Schwellwertdetektors und durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Mikrocontroller-ICs 4 beschränkt war. Es ist ersichtlich, daß diese Anordnung die Schwellwertfunktion aus dem Mikrocontroller-IC 4 herausnimmt, wodurch die Notwendigkeit eines internen Schwellwertdetektors nicht mehr gegeben ist.
Daher umfaßt, allgemein gesprochen, dieser Motorsteuerschaltkreis einen Mikrocontroller-IC, der einen Ansteuerstrom an die Wicklungen des zu steuernden Motors abgeben kann, und einen Unterbrechungseingang aufweist, der, sobald er einmal getriggert ist, den Ansteuerstrom für die Wicklungen unterbricht, wobei die Schwellwertschaltung ermitteln kann, ob ein Signal, das den Wicklungsstrom wiedergibt, einen Referenzpegel überschreitet, und, falls dem so ist, den Unterbrechungseingang triggert.
Während die Schwellwertfunktion nützlicherweise aus dem Mikrocontroller-IC 4 entfernt wurde, um eine stark verbesserte Überstrom-Antwortzeit vorzusehen (im Rahmen von 2 bis 3 Mikrosekunden statt 50 bis 100 Mikrosekunden bei einer üblichen Anwendung), kann bei der in der 2 dargestellten Motorsteuerschaltung der Schwellwert nicht verändert werden.
Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu der schnelleren Überstrom-Reaktionszeit, die durch die oben beschriebene Ausführung vorgesehen wird, ein veränderlicher Schwellwert vorgesehen. Bezugnehmend auf die 3 wird der ersten Eingang 9 des Vergleichers 8 nach wie vor mit der Abfühlstrom-Spannung des Widerstands 7 versorgt. Der zweite Eingang 10 des Vergleichers ist mit einem Tiefpaßfilter verbunden, der einen Widerstand 14 und eine Kapazität 15 umfaßt. Das Eingangssignal für das Tiefpaßfilter ist ein softwaregesteuerter Ausgangsimpuls 16 des Mikrocontroller-ICs 4 – und somit ein digitales Signal, das von dem Mikrocontroller erzeugt wird. Die Frequenz und/oder das Tastverhältnis der Impulswellenform ist durch die Software veränderbar. Dementsprechend umfaßt der Ausgang des Tiefpaßfilters eine Spannung, deren Amplitude durch die Frequenz und/oder durch das Tastverhältnis der Impulswellenform gesteuert ist, die von dem Mikrocontroller-IC 4 erzeugt und mittels Software gesteuert ist. Diese Vorkehrung wird dazu verwendet, eine softwaregesteuerte variable Referenzspannung einzustellen, mit der die Spannung des erfaßten Stroms verglichen werden kann.
Wie auch in der in 2 dargestellten Ausführung wird der Vergleicherausgang einem Unterbrechungseingang 13 des Mikrocontroller-ICs 4 zugeführt, um den Vorteil einer verbesserten Uberstrom-Antwortzeit vorzusehen.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet „umfassen" „miteinbeziehen oder bestehen aus" und „umfassend" bedeutet „miteinbezogen oder bestehend aus".
Die in der vorangegangenen Beschreibung, in den vorangegangenen Ansprüchen oder in den beigefügten Zeichnungen offenbarten Merkmale, die in ihren spezifischen Ausbildungen oder im Rahmen einer Einrichtung zum Ausführen der offenbarten Funktion oder eines Verfahrens oder Prozesses zum Erhalten des offenbarten Ergebnisses verwendet werden, können getrennt oder in jeglicher Kombination zur Realisierung der Erfindung in verschiedenen Formen verwendet werden.

Claims

Motorsteuerschaltkreis zum Steuern eines Motors, wobei der Schaltkreis einen Mikrocontroller (4) aufweist, der einen Ansteuerstrom an die Wicklungen (1) des zu steuernden Motors anlegen kann und einen Unterbrechungseingang (13) aufweist, der dann, wenn er einmal getriggert wurde, den Ansteuerstrom zu den Wicklungen unterbricht, sowie eine Schwellwertschaltung, die ermitteln kann, ob ein Signal, das einen Wicklungsstrom angibt, einen Bezugspegel überschreitet, und wenn ja, den Unterbrechungseingang triggern kann, wobei die Schwellwertschaltung einen Referenzpegel-Einstellschaltkreis (11, 12) zum Einstellen eines variablen Referenzpegels und einen Vergleicherschaltkreis zum Vergleichen des Signals, das den Wicklungsstrom angibt, mit dem variablen Referenzpegel aufweist.
Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei der variable Referenzpegel softwaregesteuert ist.
Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Referenzpegel-Einstellschaltkreis ein Tiefpaßfilter aufweist, das von einer Impulswellenform mit variabler Frequenz und/oder variablem Tastverhältnis gespeist wird, wobei der Ausgang des Tiefpaßfilters eine variable Referenzspannung umfaßt.
Schaltkreis nach Anspruch 3, wobei die Impulswellenform mit variabler Frequenz und/oder variablem Tastverhältnis ein Ausgangssignal des Mikrocontrollers ist.
Schaltkreis nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Frequenz der Wellenform softwaregesteuert ist.