DE9421897U1 - Steuerschaltung für einen Gebläseantriebsmotor - Google Patents
Steuerschaltung für einen GebläseantriebsmotorInfo
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Description
Steuerschaltung für einen Gebläseantriebsmotor
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Gebläse- oder
Pumpenantriebsmotor.
Speziell betrifft die Erfindung eine Steuerschaltung für einen Gebläseoder
Pumpenantriebsmotor einer Fahrzeugheizung oder eines Brenners zum Regenerieren eines Partikelfilters für Dieselmotoren.
Brenner zum Regenerieren von Partikelfiltern für Dieselmotor-Abgasanlagen
besitzen ebenso wie auch häufig als "Standheizungen" bezeichnete (Zusatz-)Fahrzeugheizungen einen Antriebsmotor, der ein Verbrennungsluftgebläse
und gegebenenfalls noch ein Heizluftgebläse antreibt. Bei Fahrzeugheizgeräten mit Wasser als Wärmeträger ist ebenfalls ein
Verbrennugsluftgebläse vorhanden, jedoch dient als Mittel zum Umwälzen
des Wärmeträgers kein Heizluftgebläse, sondern eine Wasserpumpe.
Bei den oben erwähnten Gebläsen sorgt ein Elektromotor ebenso für den
Gebläseantrieb wie ein Elektromotor bei einer Pumpe für deren Antrieb sorgt.
Sowohl die hier in Rede stehenden Fahrzeugheizungen als auch die Vorrichtungen zum Regenerieren vom Partikelfiltem für Dieselmotoren
verwenden als Betriebsspannungsquelle die Bordbatterie. Die üblichen Spannungen dieser Batterien betragen z.B. 12 oder 24 Volt, wobei diese
Spannungen jedoch erheblichen Schwankungen unterworfen sind.
Will man z.B. ein Fahrzeugheizgerät mit einer konstanten Ausgangsleistung
betreiben, so ist hierzu eine in relativ engen Grenzen konstante Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses (auch des Heizluftgebläses, des
Motors für die Wasserpumpe, der Brennstoffpumpe) erforderlich. Sinkt die Nenn-Spannung der Bordbatterie von bspw. 24 V auf 22 V oder
-2-
noch weiter ab, so dreht sich der Gebläsemotor entsprechend langsamer,
so daß das Fahrzeugheizgerät nicht die gewünschte Leistung liefert und deutlich ungünstigere Abgaswerte entstehen.
Man kann nun daran denken, eine Drehzahlregelung für den Elektromotor
vorzusehen, die dafür sorgt, daß unabhängig von Spannungsschwankungen der Versorgungsspannung stets die gewünschte Soll-Drehzahl des
Motors und mithin des damit gekoppelten Gebläses erreicht wird.
Soll allerdings das gesamte Gerät einen bestimmten Preis nicht übersteigen,
so verbietet sich möglicherweise eine Regelung unter anderem deshalb, weil das Messen der Motorspannung und der Drehzahl (z.B.
mittels Tachogenerator) direkt am Motor und die erforderliche Regeleinrichtung mit einigem Aufwand verbunden sind.
Durch die vorliegende Erfindung soll eine Steuerschaltung für einen
Gebläse- oder Pumpenantriebsmotor, der zwischen die Pole einer Gleichspannungsquelle gelegt ist, angegeben werden, die sich relativ
billig realisieren läßt und dennoch eine in Grenzen gute Übereinstimmung
der Motordrehzahl mit der gewünschten oder Soll-Drehzahl erreicht.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebene
Steuerschaltung für einen Gebläse- oder Pumpenantriebsmotor, der zwischen die Pole einer Gleichspannungsquelle gelegt ist, wobei im
Stromkreis des Motors ein mit einem PWM-Signal (Pulsbreitenmodulation-Signal)
angesteuerter Halbleiterschalter liegt, indem von einem Spannungsfühler Gebrauch gemacht wird, der ein für die Gleichspannung
der Gleichspannungsquelle repräsentatives Meßsignal an eine Steuerung gibt, die aus dem Meßsignal ein kompensiertes Signal macht,
welches zur Bildung des PWM-Signals herangezogen wird.
Der im Stromkreis des Motors liegende Halbleiterschalter, bei dem es
sich z.B. um einen MOSFET handelt, wird von dem PWM-Signal mit einer Frequenz im Kilohertzbereich angesteuert. Dabei verhält sich der
Motor so, als würde er mit einer Gleichspannung gespeist, die sich aus
-3-
dem Tastverhältnis der Impulse des PWM-Signals errechnen läßt. Das
das Verhältnis von Impulslänge zu Impulspause (alternativ: Impulslänge zu Impulsperiodendauer) angebende Tastverhältnis muß zur Erzielung
einer bestimmten Soll-Drehzahl umso größer sein, desto geringer die Spannung der Gleichspannungsquelle ist.
Wenn die Gleichspannungsquelle die Nenn-Spannung liefert, gibt die
Steuerung ein PWM-Signal aus, welches von einem einstellbaren Soll-Drehzahlwert
abhängen kann und dafür sorgt, daß der Motor mit der gewünschten Drehzahl dreht. Wenn nun das Potential der Gleichspannungsquelle
schwankt, bspw. um einige Volt abfällt, wird eine solche Änderung der Versorgungsspannung von dem Spannungsfühler erfaßt.
Die Steuerung bildet nun aus diesem Meßsignal ein kompensiertes Meßsignal, welches dann zur Bildung des PWM-Signals herangezogen wird.
Bei Abfall der Versorgungsspannung bedeutet dies, daß das kompensierte
Meßsignal zur Folge hat, daß das Tastverhältnis des PWM-Signals heraufgesetzt wird, so daß im Endeffekt der Motor sich so verhält, als
ob sich die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle nicht geändert hätte. Durch das Variieren des Tastverhältnisses erhalt der Motor also
stets eine "effektive" Gleichspannung, die unabhängig von der Spannung der Gleichspannungsquelle (der Spannung der Bordbatterie) ist.
Man kann den Motor mit konstanter Drehzahl betreiben, man kann' die
Motordrehzahl aber auch entsprechend bestimmter, vorgegebener Funktionen bspw. entsprechend einer Rampenfunktion, erhöhen oder
erniedrigen. Bei all diesen Steuervorgängen wird eine Änderung der Spannung der Gleichspannungsquelle in der oben beschriebenen Weise
berücksichtigt, indem aus dem durch den Spannungsfühler gebildeten Meßsignal ein kompensiertes Meßsignal gebildet wird, welches zur
Erzeugung des PWM-Signals herangezogen wird.
Bei dem Spannungsfühler kann es sich um einen schlichten Spannungsteiler
mit zwei Widerständen handeln. Wenn die Steuerung zudem als MikroSteuerung (&mgr;&thgr; = Microcontroller) ausgebildet ist, die üblicherweise
zur Steuerung von hier in Rede stehenden Fahrzeugheizgeräten verwendet wird, stellen nicht einmal die beiden Widerstände die einzigen
·. V
-4 -
zusätzlichen Bauelemente für die Steuerschaltung dar, da diese für andere
Zwecke bereits verwendet werden (bei Steuergeräten in Fahrzeugheizgeräten).
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die
Steuerung als &mgr;&thgr; ausgebildet ist, der einen Analog-Digital-Umsetzer
(ADU) enthält, dessen Eingang das Meßsignal zugeführt wird, und dessen Ausgangssignal als Adreßsignal für einen Tabellenspeicher
(ROM) benutzt wird, in dem für gewisse Ist-Spannungswerte zugehörige kompensierte Werte gespeichert sind, welche das kompensierte Signal
bilden.
Der in den /xC integrierte ADU setzt das für die Batteriespannung repräsentative
Analogsignal in einen Digitalwert um. Dieser Digitalwert bildet die Adresse eines in einem ROM enthaltenen Tabellenspeichers. Der
Inhalt des Tabellenspeichers kann rechnerisch festgelegt werden, er kann aber auch - vorzugsweise - durch Versuche ermittelt werden, indem
bspw. eine konstante Motordrehzahl vorgegeben wird, die zur Erzielung dieser konstanten Motordrehzahl erforderlichen PWM-Signale ermittelt
werden und die Digitalwerte festgestellt werden, die zu solchen PWM-Signalen gehören. Dieser Vorgang wird für verschiedene Werte der
Gleichspannungsquelle wiederholt, so daß für jeden dieser verschiedenen Werte ein bestimmter Tabellenspeicherwert erhalten wird. Wenn dann
im tatsächlichen Betrieb der Spannungsfühler einen dieser genannten Werte ermittelt, so setzt der Tabellenspeicher diesen Wert um in ein
kompensiertes Signal, mit der Folge, daß dieses kompensierte Signal wieder zu der gewünschten Drehzahl führt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung für
einen Gebläsemotor einer Fahrzeugheizung, und
Figur 2 eine Kennliniendarstellung, die die Abhängigkeit des Tastverhältnisses
eines PWM-Signals von der Versorgungsspannung für eine
.*·. : s ··*· Belegexemplar
ikicf nld-t geändert werden
-5-
großes und für eine kleine Drehzahl bei einem bestimmten Lastmoment
veranschaulicht.
Wie oben bereits ausgeführt, geht es hier speziell um die Steuerung
eines Gebläse- oder Pumpenantriebsmotors eines Fahrzeugheizgeräts.
Die Erfindung ist aber gleichermaßen anwendbar bei Brennern zum Regenerieren von Partikelfiltern für Dieselmotoren.
Figur 1 zeigt einen zwischen einer Gleichspannungsquelle UB und Masse
liegenden Gleichstrommotor 2 mit dazu parallel geschalteter Freilaufdiode 4, wobei in Reihe zu dem Motor 2 ein MOSFET 6 als schneller
Halbleiterschalter geschaltet ist. Der Halbleiterschalter 6 arbeitet mit einer Frequenz im Bereich von mehr als 20 kHz. Wenn die Gleichspannungsquelle
eine Spannung von UB = 24V liefert und das Tastverhältnis,
hier das Verhältnis von Impulslänge zu Impulsperiodendauer, des den Halbleiterschalter 6 öffnenden und schließenden PWM-Signals 50
Prozent beträgt, so verhält sich der Motor 2 derart, als ob er mit einer Gleichspannung von etwa 12V betrieben würde. Dabei sind nicht berücksichtigt
die durch einen gewissen Durchlaßwiderstand bedingte Spannung am Halbleiterschalter 6 und die Sperrspannung der
Freilauf diode 4. Tatsächlich lassen sich die Auswirkungen dieser Spannungen auf den Betrieb der Schaltung in gewissen Grenzen beseitigen,
z.B. durch Wicklungsauslegung des Motors, mathematische Routine, Abgleichen Motor/Steuergerät, so daß für den Betrieb des Motors 2
lediglich die Höhe der Gleichspannung der Spannungsquelle UB maßgeblich
ist.
Über eine Meßleitung 6' ist die Spannungsquelle UB mit einem aus zwei
Widerständen Rl und R2 gebildeten, als Spannungsfühler dienenden Spannungsteiler 8 verbunden. Am Verbindungsknoten 10 zwischen den
beiden Widerständen Rl und R2 wird ein Meßsignal S abgegriffen, welches proportional zu der aktuellen Versorgungsspannung UB ist.
Das Meßsignal S wird auf den A/D-Eingang einer als Microcontroller
(&mgr;C) ausgebildeten Steuerung 12 gegeben. Der &mgr;&thgr; ist in an sich bekannter
Weise ausgebildet. Er enthält einen Analog-Digital-Umsetzer mit
dem erwähnten Eingang A/D. Somit wird das Meßsignal S in einen Digitalwert umgesetzt.
Der &mgr;&thgr; 12 enthält außerdem einen Festspeicher ROM 14, dessen Adreßeingang
das von dem A/D-Eingang kommende Digitalsignal zugeführt wird. In dem ROM 14 sind in tabellarischer Form kompensierte Meßsignale
kS abgespeichert, die mit einem bestimmten hier nicht näher dargestellten Takt ausgegeben werden, wobei jedes kompensierte Signal
kS von dem Meßsignal S abhängt. Das kompensierte Signal kS wird auf einen Eingang einer PWM-Schaltung 16 gegeben, die in an sich bekannter
Weise ein von dem Signal kS abhängiges PWM-Signal (pulsbreitenmoduliertes Signal) an den Steuereingang des Halbleiterschalters 6 liefert.
Das PWM-Signal hängt nicht nur von dem kompensierten Signal kS ab,
sondern kann auch noch von einem weiteren Signal abhängen, welches über einen Eingang nMl! (Soll-Drehzahlwert) abhängt.
Figur 2 zeigt die Abhängigkeit des Tastverhältnisses &zgr; von der Versorgungsspannung
V, und zwar für einen Fall einer großen Drehzahl U0
und den Fall eine relativ kleinen Drehzahl nK bei einem bestimmten
Lastmoment. Stellvertretend sei nur die kleine Drehzahl nK des Motors 2
betrachtet. Bei einer Versorgungsspannung von 5V beträgt das Tastverhältnis tv 100 Prozent. Definiert man das Tastverhältnis als das Verhältnis
von Impulslänge zu Impulspause, so hat Gleichstrom ein Tastverhältnis von unendlich. Definiert man das Tastverhältnis als das Verhältnis
von Impulslänge zur Impulsperiodendauer, so bedeutet ein Tastverhältnis von 1 oder 100 Prozent, daß praktisch keine Impulspausen
vorhanden sind. Ein Tastverhältnis und 50 Prozent bedeutet, daß die Impulslänge genauso groß ist wie die dazugehörige Impulspause.
In Figur 2 wird die Drehzahl nK bei einer Spannung von 5V nur bei
einem Tastverhältnis von 100 Prozent erreicht. Liegt die Versorgungsspannung bei 15 Volt so reicht ein Tastverhältnis von 30 Prozent aus.
35
35
-7-
Man kann die in Figur 2 qualitativ dargestellten Kennlinien zur Bildung
der Werte für den Tabellenspeicher in dem &mgr;&thgr; nach Figur 1 verwenden.
D.h.: Für eine Reihe möglicher Versorgungsspannungswerte wird eine zugehörige Menge von Tastverhältnis-Werten gespeichert, und diese
Tastverhältnis-Werte bilden dann das kompensierte Signal kS.
Alternativ kann man den Tabellenspeicher aber auch mit empirisch ermittelten Werten füllen.
Wenn z.B. im Betrieb die Versorgungsspannung UB etwas absinkt,
schlägt sich dies auf das Meßsignal S als Amplitudenverringerung nieder. Dementsprechend hat der dem Adreßeingang des ROM 14 zugeführte
Digital wert einen kleineren Wert. Unter der zu diesem kleineren Wert gehörigen Adresse ist ein solches kompensiertes Signal kS
gespeichert, welches zu einem PWM-Signal mit erhöhtem Tastverhältnis
führt. Durch dieses erhöhte Tastverhältnis wird der Halbleiterschalter 6 bei jedem Impuls für eine etwas längere Zeitspanne geöffnet, so daß der
Motor 2 effektiv eine höhere Spannung erhält. Der Wert des kompensierten Signals kS ist derart voreingestellt, daß die Drehzahl des Motors
2 konstant gehalten wird.
Wie in Figur 1 auch angedeutet ist, kann die PWM-Schaltung außer dem
kompensierten Signal kS noch ein Soll-Drehzahlsignal erhalten. Hierdurch läßt sich die Drehzahl des Motors 2 ändern.
25
25
Wie oben erwähnt, läßt sich das Tastverhältnis definieren als das Verhältnis
von Impulslänge zur Impulsperiodendauer. Dies entspricht auch folgender Beziehung:
K =
mit t, = Tastverhältnis
U81 = Nenn-Gleichrichtwert des Motors
U3J4 = aktuell anliegende Versorgungsspannung
35
U3J4 = aktuell anliegende Versorgungsspannung
35
-8-
Entspricht der Nenn-Gleichrichtwert des Motors der aktuell anliegenden
Versorgungsspannung, so hat man ein Tastverhältnis von 1 oder 100 %, was dem Fall der Gleichstromspeisung entspricht. Ein Tastverhältnis von
0,5 oder 50 Prozent entspricht einem Nenn-Gleichrichtwert des Motors, der halb so groß ist wie die aktuell anliegende Versorgungsspannung.
Hieraus wird deutlich, daß man das Tastverhältnis variieren kann, um
bestimmte Drehzahlverläufe zu erhalten, bspw. Drehzahlrampen oder konstante Drehzahlen.
10
10
Außer konstanten Drehzahlen und (linearen) Rampen lassen sich auch
nicht-lineare Drehzahlverläufe erreichen.
Betrachtet man die Schaltung nach Figur 1, so läßt sich für die obige
Formel für das Tastverhältnis &zgr; folgende Beziehung herleiten:
tv = (UKL - UD) / (UBAT - IL · RDS - Un)
mit UKL = Klemmenspannung am Motor
UD = Sperrschichtspg. der Freilaufdiode
UBAT = Versorgungsspannung (gemessene Spannung)
IL = Laststrom im Arbeitspunkt
RDS = Widerstand des Halbleiterschalters im stromführenden Fall
Der Durchlaßwiderstand des Halbleiterschalters hat den größten Einfluß
auf die Drehzahlregelung. Man kann aber durch geeignete Wicklungsauslegung diesen Einfluß minimieren. Da die Streuung der übrigen
Parameter weitestgehend bekannt ist, und weil die jeweilige Versorgungsspannung UBAT als gemessene Spannung zur Verfügung steht, läßt
sich mit Hilfe mathematischer Formeln der Wert für i, berechnen. In
diesem Fall kann auf einen Tabellenspeicher verzichtet werden, es müßten stattdessen aber die genannten Parameterwerte berücksichtigt werden.
Claims (5)
1. Steuerschaltung für einen Gebläse- oder Pumpenantriebsmotor (2),
der zwischen die Pole einer Gleichspannungsquelle (UB) gelegt ist, wobei
im Stromkreis des Motors (2) ein mit einem PWM-Signal angesteuerter
Halbleiterschalter (6) liegt, umfassend einen Spannungsfühler (8,R1,R2), der ein für die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle repräsentatives
Meßsignal (S) an eine Steuerung (12) gibt, die aus dem Meßsignal ein kompensiertes Meßsignal (kS) macht, welches zur Bildung des
PWM-Signals herangezogen wird.
2. Steuerschaltung nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, daß der
Spannungsfühler durch einen Spannungsteiler (Rl, R2) gebildet wird.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung einen Microcontroller (&mgr;&Ogr;12) aufweist, der einen
Analog-Digital-Umsetzer enthält, dessen Eingang das Meßsignal zugeführt wird, und dessen Ausgangssignal als Adreßsignal für einen Tabellenspeicher
(ROM 14) benutzt wird, in dem für gewisse Ist-Spannungswerte zugehörige kompensierte Werte gespeichert sind, die das
kompensierte Signal (kS) bilden.
4. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Tastverhältnis des PWM-Signals gemäß folgender Formel berechnet wird:
tv = (UKL - UD) / (UBAT - IL . RDS - U0)
mit U1^ = Klemmenspannung am Motor
U0 = Sperrschichtspg. der Freilaufdiode
UBAT = Versorgungsspannung (gemessene Spannung)
IL = Laststrom im Arbeitspunkt
Rds = Widerstand des Halbleiterschalters im stromführenden Fall
35
- 10-
5. Steuerschaltung nach Anspruch 4 für ein Fahrzeugheizgerät oder einen Brenner eines Partikelfilters für Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet,
daß das Tastverhältnis (Q eingestellt wird, um lineare oder nicht-lineare Rampenfunktionen für den Drehzahlverlauf einzustellen,
welche derart gewählt sind, daß das Betriebsverhalten des Brenners, bspw. hinsichtlich der Abgaswerte, optimiert wird.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9421897U DE9421897U1 (de) | 1994-12-15 | 1994-12-15 | Steuerschaltung für einen Gebläseantriebsmotor |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4444810A DE4444810A1 (de) | 1994-12-15 | 1994-12-15 | Steuerschaltung für einen Gebläseantriebsmotor |
| DE9421897U DE9421897U1 (de) | 1994-12-15 | 1994-12-15 | Steuerschaltung für einen Gebläseantriebsmotor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9421897U1 true DE9421897U1 (de) | 1997-02-06 |
Family
ID=25942901
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE9421897U Expired - Lifetime DE9421897U1 (de) | 1994-12-15 | 1994-12-15 | Steuerschaltung für einen Gebläseantriebsmotor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9421897U1 (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE29912470U1 (de) * | 1999-07-22 | 2000-08-31 | Kuhnke Gmbh Kg H | Elektrisch ansteuerbare Antriebseinrichtung |
| DE29916114U1 (de) * | 1999-09-15 | 2000-08-31 | Kuhnke Gmbh Kg H | Elektrisch ansteuerbare Antriebseinrichtung |
-
1994
- 1994-12-15 DE DE9421897U patent/DE9421897U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE29912470U1 (de) * | 1999-07-22 | 2000-08-31 | Kuhnke Gmbh Kg H | Elektrisch ansteuerbare Antriebseinrichtung |
| DE29916114U1 (de) * | 1999-09-15 | 2000-08-31 | Kuhnke Gmbh Kg H | Elektrisch ansteuerbare Antriebseinrichtung |
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