DE9419788U1

DE9419788U1 - Gebläse- oder Pumpen-Drehzahlregelung

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Publication number: DE9419788U1
Application number: DE9419788U
Authority: DE
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2004-12-10
Also published as: WO1996018236A1

Description

K 40 772/6

Gebläse- oder Pumpen-Drehzahlregelung 5

Die Erfindung betrifft einen Drehzahlgeber zum Erfassen der Drehzahl eines Antriebsmotors eines Gebläses oder einer Pumpe, insbesondere eines Fahrzeugheizgerätes.

Fahrzeugheizgeräte, häufig auch als "Standheizungen" bezeichnet, werden in Personen- und Lastkraftwagen, Omnibussen, Schiffen, Wohnwagen, Baumaschinen und dergleichen zum Beheizen insbesondere der Fahrgasträume eingesetzt. Mit Hilfe eines Benzin- oder Dieselbrenners wird durch ein Gebläse oder eine Pumpe in einem Wärmetauschersystem bewegte Luft bzw. Wasser erwärmt. Außer einer Brennstoff dosierpumpe besitzen die Heizgeräte grundsätzlich noch ein Verbrennungsluftgebläse und ein Heizluftgebläse (wenn Luft als Wärmeträger verwendet wird) oder eine Wasserumwälzpumpe (wenn Wasser als Wärmeträger dient).

Außerdem besitzt ein solches Fahrzeugheizgerät noch ein Steuergerät, welches üblicherweise außerhalb des Heizgerät-Gehäuses, in einigen besonderen Fällen auch innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Verbrennungsluftgebläse wird von einem Elektromotor - abhängig von der geforderten Brennerleistung - mit einer bestimmten Drehzahl betrieben, wobei diese Drehzahl mit Hilfe einer Regelung auf eine bestimmte Drehzahl eingeregelt wird. Im Fall eines Heizgeräts mit Luft als Wärmeträger wird von dem genannten Elektromotor nicht nur das Verbrennungsluftgebläse, sondern auch, noch ein Heizluftgebläse angetrieben. Für eine Regelung des Antriebsmotors des Verbrennungsluftgebläses und/oder des Heizluftgebläses, aber auch für eine Regelung einer Umwälzpumpe (falls Wasser als Wärmeträger verwendet wird) benötigt man ein Ist-Drehzahlsignal. Man kann hierzu am Motor bzw. an der Motorwelle einen konventionellen Drehzahlfühler anordnen, um das Ausgangssignal dieses Drehzahlfühlers über eine mehradrige Leitung an das Steuergerät zu geben, wo das Ist-Drehzahlsignal weiterverarbeitet wird, beispielsweise zu dem Zweck, eine bestimmte konstante Drehzahl beizubehalten.

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Wie oben erwähnt, gibt es auch Heizgeräte, bei denen das Steuergerät in das Heizgerätegehäuse eingebaut ist. Auch in diesem Fall müssen bei Verwendung des oben erläuterten bekannten Drehzahlfühlers Verbindungsleitungen zwischen dem Drehzahlfühler und dem Steuergerät vorhanden sein, wobei dies aufgrund des geringen Platzangebots im Inneren des Gehäuses besonders schwierig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehzahlgeber der oben genannten Art anzugeben, der bei minimalem Platzbedarf montiert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe nach dem Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch, daß an dem Gebläse- oder Pumpenrad mindestens ein Magnet angebracht ist, und daß in der Nachbarschaft der Bewegungsbahn das Gebläse- oder Pumpenrads ein Hallsensor angeordnet ist.

Durch die Anordnung des Magneten oder einer Mehrzahl von Magneten an dem Gebläserad oder dem Pumpenrad und die Anordnung des HaIlsensors im Magnetfeldbereich dieses Magneten liefert der Hallsensor ein zuverlässiges Impulssignal, dessen Frequenz der Drehzahl des Gebläsebzw. Pumpenrads entspricht. Wie oben ausgeführt, geht es hier insbesondere um die spezielle Ausgestaltung eines Fahrzeugheizgeräts, wobei der den Hallsensor aktivierende Magnet in dem Gebläserad des Verbrennungsluftgebläses, vorzugsweise aber des Heizluftgebläses angeordnet ist. Im Fall eines Heizgeräts mit Wasser als Wärmeträger kann der Magnet auch im oder am Pumpenrad angeordnet sein.

Die Erfindung ist aber auch anwendbar in Verbindung mit einem Brenner zum Regenerieren eines Partikelfilters von Dieselmotoren. Auch bei Brennern für derartige Anwendungszwecke kann der erfindungsgemäße Drehzahlgeber sinnvoll eingesetzt werden, weil auch dort entsprechend enge bauliche Verhältnisse vorliegen.

Besonders günstig in räumlicher Hinsicht erweist sich der erfindungsgemäße Drehzahlgeber dann, wenn der Hallsensor sich auf der Schal-

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tungsplatine eines Steuergerätes befindet, welches den Betrieb zumindest des Antriebsmotors steuert, in dem das Ausgangssignal des Hallsensors weiterverarbeitet wird, und wenn die Schaltungsplatine im Gerätegehäuse, insbesondere Fahrzeugheizgerätegehäuse, untergebracht ist. In diesem Fall können sämtliche Kabel zwischen Drehzahlgeber und Steuergerät entfallen, weil der Hallsensor sich direkt auf der Schaltungsplatine des Steuergeräts befindet.

Wenn das Gebläserad mit nur einem Magneten ausgestattet ist, ist diesem diametral bezüglich der Achse ein Ausgleichsgewicht zugeordnet.

Mann kann als Ausgleichsgewicht auch einen weiteren Magneten verwenden, der ebenfalls ein Impulssignal entsprechend der Motordrehzahl liefert.

Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, ermöglicht die äußerst einfache bauliche Anordnung eine kostensparende Fertigung des gesamten Geräts. Ebenfalls kostensparend ausgebildet ist die das Ist-Drehzahlsignal weiterverarbeitende Regelvorrichtung, die im folgenden näher erläutert wird, und für die selbständiger Schutz geltend gemacht wird.

Erfindungsgemäß enthält eine Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines elektrischen Antriebsmotors für ein Gebläse oder eine Pumpe, speziell unter Verwendung eines Drehzahlgebers der oben erläuterten Art:

a) einen Ist-Drehzahl-Geber, der ein Drehzahl-Istsignal liefert, dessen Frequenz zur momentanen Motordrehzahl proportional ist;

b) einen Soll-Drehzahl-Geber, der ein Drehzahl-Sollsignal liefert, dessen Frequenz zur gewünschten Motordrehzahl proportional ist;

c) einen Vergleicher, der das Drehzahl-Istsignal mit dem Drehzahl-Sollsignal vergleicht und ein Abweichungssignal liefert, und

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d) einen Steller, der aus dem Abweichungssignal ein pulsbreitenmoduliertes (PWM-)Signal bildet und dieses als Stellsignal auf einen im Stromkreis des Motors liegenden Halbleiterschalter gibt.

Eine derartige Regelung zeichnet sich durch besonders einfache Komponenten aus. Als Drehzahl-Istsignal wird ein Impuls zugeliefert, dessen Frequenz der Drehzahl des Motors entspricht. Das Drehzahl-Sollsignal wird von einer Impulsquelle geliefert und hat eine Frequenz, die der gewünschten Motordrehzahl entspricht. Der Vergleicher liefert ein Abweichungssignal. Wenn die Frequenz des Drehzahl-Istsignals kleiner ist als diejenige des Soll-Signals, bewirkt der Steller durch Verbreitern der Impulsbreite der Impulse des PWM-Signals eine Nachregelung, so daß sich die Drehzahl des Motors und mithin die Frequenz des Drehzahl-Istsignals langsam an die Frequenz des Drehzahl-Sollsignals annähert.

Um eine sicherere Regelung zu ermöglichen, sieht die Erfindung vor, daß sowohl an den Ist- als auch an den SoU-Drehzahl-Geber ein Monoflop angeschlossen ist, daß die Ausgangssignale der Monoflops auf je einen Steuereingang eines zugehörigen Schalters gegeben werden (vorzugsweise eines Halbleiterschalters), wobei die Schalter in Reihe zwischen Polen einer Spannungsquelle liegen und der Verbindungsknoten zwischen den Schaltern mit einem Belag eines Kondensators verbunden ist.

Durch die beiden Monoflops wird jeder Impuls sowohl des Drehzahl-Istsignals als auch des Drehzahl-Sollsignals auf eine konstante Impulslänge eingestellt. Besonders vorteilhaft ist dies dann, wenn die beiden Monoflops in ein und derselben Gesamt-Schaining ausgebildet sind, weil dann nämlich eine sehr hohe Konstanz der Impulsbreiten erreicht wird.

Der Kondensator wird durch die von den Impulsen geöffneten und geschlossenen Halbleiterschalter mit dem Plus- oder dem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden, so daß der Kondensator im eingeschwungenen Zustand eine gewisse Spannung aufweist. Bei einer Abweichung der Motordrehzahl von der gewünschten Drehzahl wird die Kondensatorspannung etwas erhöht oder verringert, abhängig davon, ob sich die

Drehzalil verringert oder erhöht, indem nämlich der eine Schalter länger geöffnet oder geschlossen ist als der andere Schalter.

Zur Vermeidung von Störungen kann den Monoflops jeweils ein Tiefpaß filier vorgeschaltet sein. In einer speziellen Ausfuhrungsform ist vorgesehen, daß zwischen jedem Schalter und dem zugehörigen Pol der Spannungsquelle eine Stromquelle angeordnet ist. Zwischen dem mit dem Verbindungsknoten der Schalter verbundenen Belag des Kondensators und dem Steller befindet sich ein Puffer.

Der oben angesprochene Steller mit dem PWM (Pulsbreitenmodulator) ist an sich bekannt. Eine solche Schaltung enthält einen Sägezahngenerator, dessen Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung (hier: der Spannung an dem Kondensator) verglichen wird. Übersteigt die Sägezahnspannung die Vergleichsspannung, wird ein Impuls eingeleitet.

Dieser Impuls wird beendet, wenn die Spannung des Sägezahns wieder unter den Wert der Vergleichsspannung abfallt. Bei langen Impulsen wird der im Stromkreis des Motors liegende Halbleiterschalter entsprechend lange geschlossen, so daß der Motor entsprechend lange bestromt und seine Drehzahl erhöht wird.

Im folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzip-Schaltskizze einer Vorrichtung zum Regeln

der Drehzahl eines Antriebsmotors für ein Gebläse eines Fahxzeugheizgeräts;

Fig. 2 eine Teil-Längssclinittdarstellung eines Fahrzeugheizgeräts

ohne Brennkammer und Wärmetauscher; und

Fig. 3 ein Impulsdiagramm zum Veranschaulichen des Betriebs

der Vorrichtung nach Figur 1.

Figur 2 zeigt einen Teil eines ein Gehäuse 2 aufweisenden Heizgeräts.

In Figur 2 nicht dargestellt und sich rechts an die Figur 2 anschließend

befindet sich eine Brennerkammer mit anschließendem Flammrohr und Wärmetauscher, so daß die von dem Brenner erzeugte Wärme im Bereich des Flammrohrs durch den Wärmetauscher auf Heizluft übertragen wird, welche entlang der Innenseite des Gehäuses 2 bewegt wird. 5

Gemäß Figur 2 befindet sich in der Mitte des dargestellten Teils des Gehäuses 2 ein Elektromotor 4, dessen linkes Wellenende 6 ein Heizluftgebläse 16 antreibt, und dessen rechtes Wellenende 8 ein Verbrennungsluftgebläse 10 antreibt. Im Betrieb des Geräts gelangt Verbrennungsluft VL in Pfeilrichtung über einen Stutzen 12 zu dem Verbrennungsluftgebläse 10, und von dort in eine rechts an Figur 2 anschließende Brennkammer.

Gleichzeitig gelangt über einen Heizlufteinlaß 14 am linken Ende des Gehäuses 2 Heizluft HL in Pfeilrichtung in das Heizluftgebläse 16, um von diesem entlang der Innenseite des Gehäuses 2 in Richtung auf den nicht dargestellten Wärmetauscher getrieben zu werden.

Im Inneren des Gehäuses 2 ist zur Halterung des Elektromotors 4 sowie weiterer Teile ein Innengehäuseteil 18 angeordnet, welches auf seiner Oberseite in Figur 2 die Schaltungsplatine eines Steuergeräts 20 und darüber hinaus einen Hallsensor 22 trägt. Der Hallsensor 22 ist auf der Schaltungsplatine des Steuergeräts 20 ohne spezielle Verbindungsdrähte angebracht. Der Hallsensor 22 befindet sich in der Nachbarschaft der Bewegungsbahn des Heizluftgebläses 16. Das Heizluftgebläse 16 trägt an einem seiner Flügel einen Magneten 24, so daß bei jedem Passieren des Magneten 24 an dem Hallsensor 22 von letzterem ein impulsförmiges Signal erzeugt wird.

Um Unwuchten zu vermeiden, befindet sich bezüglich der Drehachse des Heizluftgebläses in diametral entgegengesetzter Lage ein Gegengewicht 26. (Als Gegengewicht 26 kann auch ein weiterer Magnet vorgesehen sein).

Der Magnet 24 bildet in Verbindung mit dem Hallsensor 22 einen Drehzahlgeber für die Regelung des Elektromotors 4, der als Antriebsmotor

sowohl für das Verbrennungsluftgebläse 10 als auch für das Heizluftgebläse 16 dient.

In der Schaltungsskizze nach Figur 1 ist rechts oben der Motor 4 dargestellt. Mit dem Drehen des Motors 4 bewegt sich auch der Magnet 24 an dem Hallsensor 22 vorbei, der ein Drehzahl-Istsignal ID liefert, dessen Frequenz proportional zu der momentanen Motordrehzahl ist. Das Drehzahl-Istsignal ID wird über ein Tiefpaßfilter 28 auf ein Monoflop 30 gegeben, welches jeden Eingangsimpuis in einen Ausgangsimpuls konstanter Impulsbreite (a.ber nicht notwendigerweise konstanter Impulspause) umsetzt. Dieses Ausgangssignal des Monoflops 30 gelangt auf einen hier schematisch als Schalter Sl dargestellten Halbleiterschalter.

Von einer hier nicht näher dargestellten Impulsquelle wird ein Drehzahl-Sollsignal SD ebenfalls in Form eines Impulszugs geliefert. Die Frequenz des Signals SD ist proportional zu der gewünschten Drehzahl des Motors 4. Das Signal SD gelangt über ein Tiefpaßfilter 32 auf ein Monoflop 36, welches Ausgangsimpulse bildet, die die gleiche oder praktisch die gleiche Impulslänge besitzen wie die Ausgangssignale des Monoflops 30. Die Ausgangssignale des Monoflops 36 werden auf einen Halbleiterschalter gegeben, der liier schmatisch als Schalter S2 angedeutet ist. Die beiden Schalter S1 und S2 sind über zugehörige Stromquellen 34 bzw. 35 an die Versorgungsspannung Vcc der Schaltungsplatine des Steuergeräts 20 (gestrichelt in Figur 1 angedeutet) bzw. an Schaltungsmasse angeschlossen.

Der Verbindungsknoten zwischen den Schaltern Sl und S2 ist mit einem Belag eines Kondensators C verbunden, dessen anderer Belag mit der Versorgungsspannung V_cc verbunden ist. Der Verbindungsknoten führt eine Spannung V_k, die über einen Puffer 38 auf eine PWM-S chaltung (Pulsbreitenmodulationsschaltung) 40 gegeben wird. Diese ist in an sich bekannter Weise ausgebildet und liefert abhängig von der Amplitude der Eingangsspannung einen Impulszug, dessen Impulse eine zu der Eingangsspannung proportionale Breite besitzen. Entspechend der jeweiligen Impulsbreite wird ein im Stromkreis des Motors 4 zwischen der Batterie-

•&Ogr;.

spannung U_B und Masse liegender Halbleiterschalter geschlossen, so daß der Motor 4 während der Schließzeit des Halbleiterschalters 42 bestromt wird.

Im stationären Zustand hat die Spannung V_K einen gewissen Wert, demzufolge die PWM-Schaltung 40 eine Impulsfolge mit Impulsen einer gewissen Breite liefert, so daß der Motor 4 mit der gewünschten Drehzahl läuft.

Haben das Drehzahl-Istsignal ID und das Drehzahl-Sollsignal SD gleiche Frequenz und gleiche Phase, so werden die Schalter Sl und S2 gleichzeitig geschlossen und geöffnet, so daß sich die Spannung V_K nicht ändert. Tatsächlich gibt es stets geringe Abweichungen zwischen den entsprechenden Signalflanken der Signale ID und SD, so daß die Schalter Sl und S2 zu unterschiedlichen Zeiten öffnen und schließen, mit der Folge, daß die Spannung V_K mehr oder weniger konstant gehalten wird.

Es soll nun angenommen werden, daß sich die Drehzahl des Motors 4 verlangsamt, zum Beispiel weil der Motor 4 gerade stärker belastet wird. Entsprechend der verringerten Motordrehzahl wird die Frequenz des Drehzahl-Istsignals ID abnehmen, wie dies aus der mittleren Zeile der Figur 3 entnehmbar ist. Im beispielhaft in Figur 3 dargestellten Fall sind Impulsbreite und Impulspause des Drehzahl-Sollsignals gleich groß, und auch die Impulsbreite des Drehzahl-Istsignals ist stets konstant und gleich der Impulsbreite des Signals SD. Durch die Verringerung der Frequenz des Signals ID verlagert sich nun die Vorderflanke des Signals ID nach hinten, so daß der Schalter Sl später als sonst geschlossen wird. Dies hat zur Folge, daß die Spannung Vk am Kondensator C geringfügig absinkt. Die Spannung V_K des Kondensators C sinkt solange ab, wie die Frequenz des Signals ID kleiner ist als diejenige des Signals SD. Durch die verringerte Spannung V_x liefert die PWM-Schaltung längere Impulse an den Halbleiterschalter 42, so daß der Motor 4 langer bestromt wird, mit der Folge, daß seine Drehzahl zunimmt, bis wieder eine vollständige Synchronisation zwischen den Signalen ID und SD gegeben ist. Der eben beschriebene Vorgang ist in der linken Hälfte der Figur 3 dargestellt.

Wenn aufgrund einer Lastverminderung die Drehzahl des Motors M zunimmt, eilen die Impulse des Signals ID denjenigen des Signals SD voraus, so daß sich die Spannung V_K etwas erhöht. Demzufolge werden die von der PWM-Schaling 40 ausgegebenen Impulse schmaler, so daß der Halbleiterschalter 42 für kürzere Zeit als vorher geschlossen und der Motor 4 für entsprechende kürzerte Zeitspannen bestromt wird. Dadurch verlangsamt sich die Drehzahl des Motors 4, bis wieder der Synchronzustand erreicht ist.

Der oben beschriebene Drehzahlgeber gemäß Figur 2 in Verbindung mit der Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl des Antriebsmotors gemäß Figur 1 läßt sich insbesondere bei einer Fahrzeugheizung mit Luft als Wärmeträger einsetzen. Gleichermaßen kann aber auch die Erfindung bei einer Fahrzeugheizung mit Wasser als Wärmeträger realisiert werden. Der Magnet 24 kann anstatt am Heizluftgebläse auch am Verbrennungsluftgebläse oder am Pumpenrad einer Wasserpumpe angeordnet werden, wobei dann auch der Hallsensor 22 mit dem Steuergerät 20 sich in der Nähe eines solchen Magneten befindet.

Die Erfindung ist nicht nur in Verbindung mit Fahrzeugheizgeräien einsetzbar, sondern auch in Verbindung mit Brennern zum Regenerieren von Partikelfiltern für Dieselmotoren.

Claims

- &igr;&ogr;- Ansprüche

1. Drehzahlgeber zum Erfassen der Drehzahl eines Antriebsmotors (4)

eines Gebläses (16) oder einer Pumpe, insbesondere eines Fahrzeugheizgeräts,

dadurch gekennzeichnet,

daß an dem Gebläse- oder Pumpenrad mindestens ein Magnet (24) angebracht ist, und daß in der Nachbarschaft der Bewegungsbahn

des Gebläse- oder Pumpenrads ein Hallsensor (22) angeordnet ist.

2. Drehzahlgeber nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Hallsensor (22) sich auf der Schaltungsplatine eines Steuer

geräts (20) befindet, welches den Betrieb zumindest des Antriebsmotors (4) steuert, in dem das Ausgangssignal des Hallsensors (22) weiterverarbeitet wird, und daß die Schaltungsplatine im Gerätegehäuse (2) insbesondere des Fahrzeugheizgerätegehäuses, untergebracht ist.

3. Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines elektrischen Antriebsmotors für ein Gebläse oder eine Pumpe, insbesondere unter Verwendung eines Drehzahlgebers nach Anspruch 1 oder 2, umfassend:

a) einen Ist-Drehzahl-Geber (22, 24, 28, 30), der ein Drehzahl-Istsignal liefert, dessen Frequenz zur momentanen Motordrehzahl proportional ist;

b) einen Soll-Drehzahl-Geber (32, 36), der ein Drehzahl-Sollsignal

liefert, dessen Frequenz zur gewünschten Motordrehzahl proportional ist,

c) einen Vergleicher (Sl, S2, 34, 35), der das Drehzahl-Istsignal mit dem Drehzahl-Sollsignal vergleicht und ein Abweichungs

signal (V₁₀ liefert, und

• · ·· 4

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d) einen Steller (40, 42) der aus dem Abweichungssignal (V₁J ein pulsbreitenmoduliertes (PWM-)Signal bildet und dieses als Stellsignal auf einen im Stromkreis des Motors liegenden HaIbleiterschalter (42) gibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß sowohl der Ist- als auch der Soll-Drehzahl-Geber ein Monoflop (30; 36) aufweist, und daß die Ausgangssignale der Monofiops auf

je einen Steuereingang eines zugeordneten Schalters (Sl, S2) gegeben werden, die in Reine zwischen zwei Polen einer Spannungsquelle liegen und deren Verbindungsknoten mit einem Belag eines Kondensators (C) verbunden ist.
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5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen jedem Schalter (Sl, S2) und dem zugehörigen Pol der Spannungsquelle eine Stromquelle (34; 35) angeordnet ist.
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6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen dem Belag des Kondensators (C) und dem Steller (40) ein Puffer (38) angeordnet ist.
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