EP1588478A2 - Verfahren und steuerschaltung zur ansteuerung eines elektromotors mithilfe eines pulsweitenmodulationssignals - Google Patents

Verfahren und steuerschaltung zur ansteuerung eines elektromotors mithilfe eines pulsweitenmodulationssignals

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Publication number
EP1588478A2
EP1588478A2 EP03815522A EP03815522A EP1588478A2 EP 1588478 A2 EP1588478 A2 EP 1588478A2 EP 03815522 A EP03815522 A EP 03815522A EP 03815522 A EP03815522 A EP 03815522A EP 1588478 A2 EP1588478 A2 EP 1588478A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
width modulation
modulation signal
pulse width
electric motor
supply voltage
Prior art date
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Ceased
Application number
EP03815522A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Koch
Nikolas Haberl
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1588478A2 publication Critical patent/EP1588478A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/06—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual DC dynamo-electric motor by varying field or armature current
    • H02P7/18—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual DC dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power
    • H02P7/24—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual DC dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P7/28—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual DC dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P7/285—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual DC dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only
    • H02P7/29—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual DC dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using pulse modulation

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an electric motor with a pulse width modulation signal.
  • the invention further relates to a control circuit for controlling an electric motor, the electric motor being controlled with the aid of a pulse width modulation signal.
  • the pulse width modulated voltage is applied to the electric motor with the aid of a switching device to which a pulse width modulation signal is applied.
  • the pulse width modulation signal has a pulse duty factor with which the voltage on the electric motor and thus the speed of the motor can be controlled.
  • the pulse width-modulated voltage for controlling the electric motor has the disadvantage that this causes interference on the supply voltage lines to which the electric motor is connected.
  • a low-pass filter is therefore usually connected to the supply voltage lines in order to smooth the voltage.
  • the low-pass filter has a capacitor and / or a choke coil, the power losses of which depend on the duty cycle of the control frequency. Usually it takes
  • a method for controlling an electric motor with a pulse width modulation signal is provided.
  • the pulse width modulation signal has a drive frequency and a duty cycle.
  • the electric motor is controlled depending on the duty cycle and supplied via a supply voltage line.
  • At least one electrical component is provided for low-pass filtering of the voltage fluctuations on the supply voltage line caused by the pulse width modulation signal. According to the control frequency of the pulse width modulation signal is changed depending on the duty cycle.
  • control of the electric motor takes place in such a way that the control frequency is selected for each possible duty ratio in order to obtain a desired power loss and a desired proportion of the line-related interference.
  • the control frequency is preferably adjusted as a function of the pulse duty factor in such a way that the maximum permissible power loss in the electrical component is not exceeded.
  • the control frequency is selected to be as high as possible in order to achieve better filtering of the line-bound high-frequency interference on the supply voltage line.
  • the advantage of the method according to the invention is that the drive frequency is chosen in each case so that the loss voltage at each of the electrical components for low-pass filtering is not exceeded. Since the power loss also increases with increasing frequency, it is necessary not to exceed a maximum frequency in order to limit the power loss. At the same time, it is desirable to minimize the proportion of line-bound, high-frequency interference on the supply voltage lines by selecting the drive frequency as high as possible in order to achieve a better filtering effect of the low-pass filter. Since the power loss on the electrical components changes as a function of the pulse duty factor, it is provided that the drive frequency of the pulse width modulation signal is also selected as a function of the pulse duty factor.
  • the respective control frequency is adapted to the respectively allowed power loss of the electrical component, preferably to its maximum permissible power loss.
  • high control frequencies can be provided for certain duty cycles, which would lead to the permissible power loss in the electrical component being exceeded in the case of other duty cycles.
  • a control circuit for controlling an electric motor by means of a pulse width modulation signal is provided.
  • Pulse width modulation signal has a control frequency and a duty cycle, the electric motor having an over a switchable controllable supply voltage can be operated.
  • a control module generates the pulse width modulation signal in order to switch the switching device according to the duty cycle.
  • a low-pass filter circuit is provided which filters the supply voltage in order to reduce voltage fluctuations on a supply voltage line caused by the pulse width modulation signal. The control module generates the control requirement of the pulse width modulation signal depending on the pulse duty factor.
  • the drive frequency can be selected to be high for a respective pulse duty factor, so that line-related interference on the supply voltage line for the electric motor can be reduced.
  • the low-pass filter circuit ensures that the supply voltage is smoothed, the voltage fluctuations in the supply voltage line essentially being smoothed out the higher the frequency of the voltage fluctuations.
  • control module controls the switching device with a control frequency of the pulse width modulation signal such that a power loss of a component in the filter circuit and / or the switching device does not exceed a maximum permissible value.
  • the upper limit of the control frequency is determined in each case by the maximum permissible power loss for each of the components in the filter circuit or the switching device and as a function of the pulse duty factor.
  • Figure 1 is a diagram of a control circuit according to the invention.
  • Figure 2 is a graph indicating the dependence of the fluctuations on the supply voltage line as a function of the period with the same duty cycle.
  • a control of an electric motor 1 is shown in FIG.
  • the electric motor 1 is controlled with the aid of a pulse width modulation signal S, which is applied to a switching device 2.
  • the electric motor 1 and the switching device 2 are connected in series between a high supply voltage potential V H and a ground potential GND.
  • the pulse width modulation signal enables the electric motor 1 to be controlled continuously.
  • a free-wheeling diode 3 is provided in parallel with the electric motor 1 and derives a free-wheeling voltage that is greater than the upper supply voltage VH.
  • the pulse width modulation signal S has a drive frequency f and a pulse duty factor Tv.
  • the control frequency f indicates a period T, after which the pulse width modulation signal S is repeated cyclically.
  • the pulse duty factor Tv indicates the ratio of the duty cycle during the period of the pulse width modulation signal S to the entire period. That is, the greater the duty cycle Tv, the greater the proportion of time during which the switching device 2 is closed, and the longer the supply voltage is applied to the electric motor 1 during a period T.
  • the duty cycle during a period can be varied as desired by selecting the duty cycle Tv, so that the electric motor 1 can be controlled continuously.
  • the pulse width modulation signal S is made available to the switching device 2 by a control module 4, which generates the pulse width modulation signal S as a function of a predetermined manipulated variable which is received by a control signal line ST.
  • the control value can be received by a control device (not shown) or a data network (for example a CAN network).
  • the control module 4 usually has a microcontroller, which uses the control value to control the frequency f and that
  • a low-pass filter circuit S which has an electrolytic capacitor 6 and a choke coil 7.
  • the low-pass filter circuit S smoothes the voltage fluctuations on the supply voltage lines 5.
  • the low-pass filter circuit S filters the voltage fluctuations the better the higher the frequency of the voltage fluctuations on the supply voltage lines 5.
  • the voltage fluctuations essentially have frequencies which are determined by the fundamental frequency of the drive frequency of the pulse width modulation signal S, as well as its multiple, i.e. whose harmonics are given.
  • the low-pass filter circuit works more effectively and filters out a larger high-frequency portion of the voltage fluctuations from the supply voltage lines 5.
  • the power loss in the electrolytic capacitor 6 and the Choke coil 7 with the increasing frequency. Since the power loss is limited upwards by the smallest value of the maximum power losses for each of the components on the supply voltage lines 5, the control frequency f cannot be increased arbitrarily.
  • the power loss of each of the components of the electrolytic capacitor 6 and the choke coil 7 is dependent on the pulse duty factor Tv of the pulse width modulation signal S.
  • the power loss of the electrolytic capacitor 6 is determined below.
  • T v indicates the duty cycle and can have a value in the range between 0 and 1.
  • I eiko represents the current through the electrolytic capacitor 6.
  • nals corresponds to S.
  • dU e ⁇ o + and dU e io- are proportional to the period of the
  • Pulse width modulation signal S ie the voltage swing at the electrolytic capacitor 6 can be reduced by increasing the frequency of the control frequency f.
  • the power loss P v is essentially proportional to the square of the duty cycle Tv and proportional to the control frequency f.
  • the proportion of line-bound interference is not only dependent on the control frequency, but also to a large extent on the pulse duty factor, whereby the proportion of harmonic frequencies can change considerably depending on the selected pulse duty factor.
  • the share of harmonics is relatively low at a duty cycle of 0.5 and rises significantly as the duty cycle decreases or rises. Since the low-pass filter circuit cannot completely filter out the high frequencies, a portion remains which is in the supply voltage network as a high-frequency line-bound interference.
  • control frequencies can be realized which, although they have increased electrical power losses in comparison to a constant control frequency f, have an advantageous behavior with regard to line-related interference.
  • The. Control module 4 is now designed in such a way that the control frequency f of the pulse width modulation signal S is changed depending on the selected duty cycle Tv, which is essentially predetermined by the manipulated variable ST.
  • the control frequency f is increased considerably in order to improve the filter effect of the low-pass filter S.
  • the increase in the control frequency f depends on the maximum permissible power loss of the components located in the low-pass filter, which is essentially given by the component with the lowest maximum loss line value. In other words, when the control frequency f is selected, the maximum permissible power loss of the overall circuit is approximated. With a larger duty cycle Tv, the power loss Pv is also considerably higher, so that the control frequency f must be reduced.
  • the respective control frequency f is to be selected in accordance with the power losses P v of the components used in the motor circuit in such a way that the maximum component-dependent value of the power loss is not exceeded for any component at the given duty cycle Tv.
  • the components of the low-pass filter circuit and the field-effect power transistor 2 and the free-wheeling diode 3 are to be taken into account in particular.
  • control frequencies should preferably be selected such that the maximum possible at a control frequency of 20 kHz
  • FIG. 2 shows the voltage profiles on the supply voltage line 5 at different control frequencies fl, f2, f3. A decrease in the amplitude of the voltage fluctuations on the supply voltage lines 5 can be seen with increasing frequency. The line-related interference can thus be reduced by increasing the drive frequency f of the pulse width modulation signal S.

Landscapes

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Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors mit einem Pulsweitenmodulationssignal, wobei das Pulsweitenmodulationssignal eine Ansteuerfrequenz und ein Tastverhältnis aufweist, wobei der Elektromotor abhängig von dem Tastverhältnis über eine Versorgungsspannungsleitung angesteuert ist, wobei mindestens ein elektrisches Bauelement zur Tiefpassfilterung der durch das Pulsweitenmodulationssignal bewirkten Spannungsschwankungen auf der Versorgungsspannungsleitung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz des Pulsweitenmodulationssignals abhängig von dem Tastverhältnis verändert wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors mithilfe eines Pulsweitenmodulationssignals
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors mit einem Pulsweitenmodulationssignal . Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors, wobei der Elektromotor mithilfe ei- nes Pulsweitenmodulationssignals angesteuert wird.
Zur stufenlosen Steuerung von Elektromotoren werden diese häufig mit einer Pulsweiten-modulierten Spannung betrieben. Die Pulsweiten-modulierte Spannung wird mithilfe einer Schalteinrichtung, an der ein Pulsweitenmodulationssignal angelegt ist, an dem Elektromotor angelegt. Das Pulsweitenmodulationssignal weist ein Tastverhältnis auf, mit dem die Spannung am Elektromotor und damit die Drehzahl des Motors gesteuert werden kann.
Die Pulsweiten-modulierte Spannung zur Ansteuerung des Elektromotors hat den Nachteil, dass dadurch Störungen auf den Versorgungsspannungsleitungen, an die der Elektromotor angeschlossen ist, hervorgerufen werden. Daher wird an die Ver- sorgungsspannungsleitungen üblicherweise ein Tiefpassfilter angeschlossen, um die Spannung zu glätten.
Der Tiefpassfilter weist einen Kondensator und/oder eine Drosselspule auf, deren Verlustleistungen von dem Tastver- hältnis der Ansteuerfrequenz abhängt. Üblicherweise nimmt die
Verlustleistung in den Bauelementen des Tiefpassfilters bei einer Frequenzerhöhung zu. Andererseits bewirkt eine Frequenzerhöhung der Ansteuerfrequenz des Pulsweitenmodulationssignals auch eine verbesserte Filterung der in den Versor- gungsspannungsleitungen bewirkten leitungsgebundenen Störungen. Solche leitungsgebundene Störungen werden im Hochfre- quenzbereich gemessen und müssen bestimmte maximale Grenzen unterschreiten .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und einer Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors zur Verfügung zu stellen, mit dem die leitungsgebundenen Störungen gering und unterhalb einer bestimmten maximalen Grenze gehalten werden kann und bei dem gleichzeitig die Verlustleistung an den Bauelelementen, die mit den Versorgungsspan- nungsleitungen in Verbindung stehen, einen maximalen Wert nicht überschreitet.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 1, sowie durch die Steuerschal- tung nach Anspruch 4 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß eines ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors mit einem Pulsweitenmodulationssignal vorgesehen. Das Pulsweitenmodulationssignal weist eine Ansteuerfrequenz und ein Tastverhältnis auf. Der Elektromotor wird abhängig von dem Tastverhältnis gesteuert und über eine Versorgungsspannungsleitung versorgt.
Zur Tiefpassfilterung der durch das Pulsweitenmodulationssignal bewirkten SpannungsSchwankungen auf der Versorgungsspannungsleitung ist mindestens ein elektrisches Bauelement vorgesehen. Erfindungsgemäß wird die Ansteuerfrequenz des Puls- eitenmodulationssignal abhängig von dem Tastverhältnis verändert .
Auf diese Weise kann vorgesehen werden, dass die Ansteuerung des Elektromotor so erfolgt, dass für jedes mögliche Tastver- hältnis die Ansteuerfrequenz ausgewählt wird, um eine gewünschte Verlustleistung und einen gewünschten Anteil der leitungsgebundenen Störungen zu erhalten. Vorzugsweise wird die Ansteuerfrequenz so abhängig von dem Tastverhältnis angepasst, dass die maximal zulässige Verlustleistung in dem elektrischen Bauelement nicht überschritten wird. Gleichzeitig ist vorzugsweise vorzusehen, dass die An- steuerfrequenz möglichst hoch gewählt wird, um eine bessere Filterung der leitungsgebundenen hochfrequenten Störungen auf der Versorgungsspannungsleitung zu erreichen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass die Ansteuerfrequenz jeweils so gewählt wird, dass die Verlustspannung an jedem der elektrischen Bauelemente zur Tiefpassfilterung nicht überschritten wird. Da die Verlustleistung mit zunehmender Frequenz ebenfalls zunimmt, ist es notwendig, zur Beschränkung der Verlustleistung eine Höchstfrequenz nicht zu überschreiten. Gleichzeitig ist es wünschenswert, den Anteil der 1eitungsgebundenen, hochfrequenten Störungen auf den Versorgungsspannungsleitungen zu minimie- ren, indem die Ansteuerfrequenz möglichst hoch gewählt wird, um eine bessere Filterwirkung des Tiefpassfilters zu erreichen. Da sich die Verlustleistung an dem elektrischen Bauelementen abhängig vom Tastverhältnis ändert, ist vorgesehen, dass die Ansteuerfrequenz des Pulsweitenmodulationssignals ebenfalls in Abhängigkeit zu dem Tastverhältnis gewählt wird. Dabei wird die jeweilige Ansteuerfrequenz an die jeweils erlaubte Verlustleistung des elektrischen Bauelements, vorzugsweise an dessen maximal zulässige Verlustleistung angepasst. Auf diese Welse können hohe Ansteuerfrequenzen bei bestimmten Tastverhältnissen vorgesehen sein, die bei anderen Tastver- hältnissen zu einer Überschreitung der zulässigen Verlustleistung in dem elektrischen Bauelement führen würden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors it- hilfe eines Pulsweitenmodulationssignals vorgesehen. Das
Pulsweitenmodulationssignal weist eine Ansteuerfrequenz und ein Tastverhältnis auf, wobei der Elektromotor mit einer über eine Schalteinrichtung steuerbare Versorgungsspannung betreibbar ist. Ein Steuermodul generiert das Pulsweitenmodulationssignal, um die Schalteinrichtung gemäß dem Tastver- hältnis zu schalten. Es ist eine Tiefpassfilterschaltung vorgesehen, die die Versorgungsspannung filtert, um durch das Pulsweitenmodulationssignal bewirkte SpannungsSchwankungen auf einer Versorgungsspannungsleitung zu reduzieren. Das Steuermodul generiert die Ansteuer requenz des Pulsweitenmodulationssignals abhängig von dem Tastverhältnis .
Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass bei einem jeweiligen Tastverhältnis die Ansteuerfrequenz so hoch gewählt werden kann, so dass leitungsgebundene Störungen auf der Versorgungsspannungsleitung für den Elektromotor verringert wer- den können .
Mit der Tiefpassfilterschaltung wird erreicht, dass die Versorgungsspannung geglättet wird, wobei im Wesentlichen die SpannungsSchwankungen in der Versorgungsspannungsleitung umso mehr geglättet werden, je höher die Frequenz der Spannungsschwankungen ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Steuermodul die Schalteinrichtung mit einer Ansteuerfrequenz des Pulsweitenmodulati- onssignals so ansteuert, dass eine Verlustleistung eines Bauelements in der Filterschaltung und/oder der Schalteinrichtung einen maximal zulässigen Wert nicht überschreitet . Auf diese Weise wird die obere Grenze der Ansteuerfrequenz jeweils durch die maximal zuträgliche Verlustleistung für jedes der Bauelemente in der Filterschaltung bzw. der Schalteinrichtung und abhängig vom Tastverhältnis festgelegt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert . Es zeigen: Figur 1 ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung; und
Figur 2 ein Schaubild, das die Abhängigkeit der Schwankungen auf der Versorgungsspannungsleitung in Abhängigkeit von der Periodendauer bei gleichem Tastverhältnis angibt.
In Figur 1 ist eine Ansteuerung eines Elektromotors 1 dargestellt. Der Elektromotor 1 wird mithilfe eines Pulsweitenmo- dulationssignals S, das an eine Schalteinrichtung 2 angelegt wird, gesteuert. Dazu sind der Elektromotor 1 und die Schalteinrichtung 2 in Serie zwischen einem hohen Versorgungsspan- nungspotential VH und einem Massepotential GND geschaltet. Das Pulsweitenmodulationssignal ermöglicht die stufenlose An- Steuerung des Elektromotors 1.
Um Spannungsspitzen beim Ausschalten der Schalteinrichtung 2 aufgrund der Induktivität des Elektromotors 1 an der Schalteinrichtung 2 zu vermeiden, ist parallel zu dem Elektromotor 1 eine Freilaufdiode 3 vorgesehen, die eine FreilaufSpannung, die größer ist als die obere Versorgungsspannung VH ableitet.
Das Pulsweitenmodulationssignal S weist eine Ansteuerfrequenz f und ein Tastverhältnis Tv auf. Die Ansteuerfrequenz f gibt eine Periodendauer T an, nach der sich das Pulsweitenmodulationssignal S zyklisch wiederholt. Das Tastverhältnis Tv gibt das Verhältnis der Einschaltdauer während der Periodendauer des Pulsweitenmodulationssignals S zur gesamten Periodendauer an. D.h. je größer das Tastverhältnis Tv, desto größer ist der Zeitanteil, während dem die Schalteinrichtung 2 geschlossen ist, und desto länger liegt die Versorgungsspannung an dem Elektromotor 1 während einer Periode T an. Die Einschaltdauer während einer Periode lässt sich durch Wahl des Tast- verhältnisses Tv beliebig variieren, so dass dadurch der E- lektromotor 1 stufenlos ansteuerbar ist. Das Pulsweitenmodulationssignal S wird der Schalteinrichtung 2 von einem Steuermodul 4 zur Verfügung gestellt, das das Pulsweitenmodulationssignal S abhängig von einem vorgegebenen Stellwert generiert, der von einer Steuersignalleitung ST empfangen wird. Der Stellwert kann von einer (nicht gezeigten) Steuereinrichtung oder ein Daten-Netzwerk (z.B. ein CAN- Netzwerk) empfangen werden.
Das Steuermodul 4 weist üblicherweise einen Mikrocontroller auf, der aus dem Stellwert die Ansteuerfrequenz f und das
Tastverhältnis Tv ermittelt und das Pulsweitenmodulationssignal S generiert.
Durch das Ein- und Ausschalten der Schalteinrichtung 2, die in der gezeigten Ausführungsform als Feldeffektleistungstran- sistor 2 ausgebildet ist, entstehen steile Spannungsflanken an dem Elektromotor 1. Diese führen zu SpannungsSchwankungen mit der Ansteuerfrequenz und deren Ober requenzen auf dem Versorgungsspannungsleitungen 5. Um das Versorgungsspannungs- netz nicht mit diesen SpannungsSchwankungen zu belasten, ist eine Tiefpassfilterschaltung S vorgesehen, die einen Elektrolytkondensator 6 und eine Drosselspule 7 aufweist. Die Tiefpassfilterschaltung S glättet die auf den Versorgungsspannungsleitungen 5 befindlichen SpannungsSchwankungen. Die Tiefpassfilterschaltung S filtert die SpannungsSchwankungen umso besser, je höher die Frequenz der SpannungsSchwankungen auf den Versorgungsspannungsleitungen 5 ist. Die Spannungsschwankungen weisen ,im Wesentlichen Frequenzen auf, die durch die Grundfrequenz der Ansteuerfrequenz des Pulsweitenmodula- tionssignals S, sowie deren Vielfaches, d.h. deren Oberschwingungen, gegeben ist.
Wird die Ansteuertrequenz nun erhöht, so arbeitet die Tiefpassfilterschaltung effektiver und filtert einen größeren hochfrequenten Anteil der SpannungsSchwankungen von den Versorgungsspannungsleitungen 5 aus. Gleichzeitig steigt jedoch die Verlustleistung in dem Elektrolytkondensator 6 und der Drosselspule 7 mit der zunehmenden Frequenz an. Da die Verlustleistung nach oben hin durch den kleinsten Wert der maximalen Verlustleistungen für jedes der Bauelemente an den Versorgungsspannungsleitungen 5 beschränkt ist, kann die Ansteu- erfrequenz f nicht beliebig erhöht werden.
Zudem ist die Verlustleistung jedes der Bauelemente des E- lektrolytkondensators 6 und der Drosselspule 7 von dem Tastverhältnis Tv des Pulsweitenmodulationssignals S abhängig.
Im folgenden wird die Verlustleistung des Elektrolytkondensators 6 ermittelt.
Zunächst wird angenommen, dass die Ströme IZuleitung, lDrossel, I„ konstant sind. Dann gilt:
- T""Zuleitung = T-""m v TV•
wobei Tv das Tastverhältnis angibt und einen Wert im Bereich zwischen 0 und 1 annehmen kann.
Für die Ausschaltzeit der Schalteinrichtung gilt dann:
= I.
wobei Ieiko der Strom durch den Elektrolytkondensator 6 darstellt .
Die Spannungshübe an dem Elektrolytkondensator 6 ergeben sich entsprechend folgender Gleichungen:
T dUelk0+ = 1 C * Jj ld e"kodt = ~ (1 - Tv)* T ( 1 ) c
wobei T (= —) der Periodendauer des Pulsweitenmodulationssig-
nals S entspricht. Für die Einschaltzeit der Schalteinrichtung 2 gilt:
lelko — J-Drossel — m < \ • )
und
dU elko- = r*J fr = r (π>-i)*τ (3)
dUeιo+ und dUeio- sind proportional zur Periodendauer des
Pulsweitenmodulationssignals S, d.h. der Spannungshub am E- lektrolytkondensator 6 lässt sich durch eine Frequenzerhöhung der Ansteuerfrequenz f vermindern. Bei einer Betrachtung von dUeiko+ , wobei
lelko — -"-drossel — J-v J-mod
ist, ergibt sich:
dU elko+ / (5)
Bei einem Motorstrom
Im=kl*Um 2=kl*(T *Utat)2=k2*Tv 2, (6)
wobei kl und k2 Konstanten sind, ergibt sich
dUdk0+ = ~ * Tv' * (1 - Tv) * kl * T , ( 7 )
woraus sich für die elektrische Verlustleistung P
P ~Tv2*—~Tv2-f (8)
T
resultiert , Man erkennt, dass die Verlustleistung Pv im Wesentlichen proportional zum Quadrat des Tastverhältnisses Tv und proportional zur Ansteuerfrequenz f ist. Der Anteil der leitungsgebun- denen Störungen ist jedoch nicht nur abhängig von der Ansteuerfrequenz, sondern auch wesentlich abhängig von dem Tastverhältnis, wobei sich der Anteil der Oberfrequenzen je nach gewähltem Tastverhältnis erheblich verändern kann. So ist der Anteil der Oberfrequenzen bei einem Tastverhältnis von 0,5 relativ gering und steigt mit sinkendem bzw. steigendem Tastverhältnis erheblich an. Da die Tiefpassfilterschaltung die Oberfrequenzen nicht vollständig herausfiltern kann, bleibt ein Anteil übrig, der sich als hochfrequente leitungsgebundene Störung in dem Versorgungsspannungsnetz befindet.
Mit den Gleichungen (7) und (8) lassen sich je nach Tastverhältnis Tv Ansteuerfrequenzen realisieren, die zwar im Vergleich zu einer konstanten Ansteuerfre uenz f erhöhte elektrische Verlustleistungen haben, sich jedoch im Bezug auf lei- tungsgebundene Störungen vorteilhaft verhalten.
Das. Steuermodul 4 ist nun so gestaltet, das die Ansteuerfrequenz f des Pulsweitenmodulationssignals S je nach gewähltem Tastverhältnis Tv, das im Wesentlichen durch den Stellwert ST vorgegeben ist, verändert wird. So wird erfindungsgemäß bei einem sehr geringen Tastverhältnis Tv, das quadratisch in die Verlustleistung Pv eingeht, die Ansteuerfrequenz f erheblich erhöht, um die Filterwirkung des Tiefpassfilters S zu verbessern. Die Erhöhung der Ansteuerfrequenz f richtet sich nach der maximal zulässigen Verlustleistung der in dem Tiefpassfilter befindlichen Bauelemente, die im Wesentlichen durch das Bauelement mit dem geringsten maximalen Verlustleitungswert gegeben ist. D.h. bei der Wahl der Ansteuerfrequenz f wird sich der maximal zulässigen Verlustleistung der Gesamt- schaltung angenähert. Bei einem größeren Tastverhältnis Tv ist auch die Verlustleistung Pv erheblich höher, so dass die Ansteuerfrequenz f reduziert werden muss .
Im wesentlichen ist die jeweilige Ansteuerfrequenz f entsprechend der Verlustleistungen Pv der in dem Motorschaltkreis verwendeten Bauelemente so zu wählen, dass bei keinem Bauelement bei dem gegebenen Tastverhältnis Tv der maximale Bauteil-abhängige Wert der Verlustleistung überschritten wird. Dabei sind insbesondere die Bauelemente der Tiefpassfilterschaltung sowie der Feldeffekt-Leistungstransistor 2 und die Freilaufdiode 3 zu berücksichtigen.
Vorzugsweise sind die Ansteuerfrequenzen so zu wählen, dass bei einer Ansteuerfrequenz von 20 kHz die maximal mögliche
Verlustleistung der Gesamtschaltung bei allen Tastverhältnis- sen nicht überschritten wird.
In Figur 2 sind die Spannungsverläufe auf der Versorgungs- spannungsleitung 5 bei verschiedenen Ansteuerfrequenzen fl, f2 , f3 dargestellt. Man erkennt eine Abnahme der Amplitude der SpannungsSchwankungen an den Versorgungsspannungsleitungen 5 mit zunehmender Frequenz. Somit können die leitungsgebundenen Störungen reduziert werden, indem die Ansteuerfre- quenz f des Pulsweitenmodulationssignals S erhöht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors (1) mit einem Pulsweitenmodulationssignal (S) , wobei das Pulsweitenmodulationssignal (S) eine Ansteuerfrequenz (f) und ein Tastverhältnis (Tv) aufweist, wobei der Elektromotor (1) abhängig von dem Tastverhältnis (Tv) gesteuert und über eine Versorgungsspannungsleitung (5) versorgt wird, wobei mindestens ein elektrisches Bauelement (6, 7) zur
Tiefpaßfilterung der durch das Pulsweitenmodulationssignal (S) bewirkten SpannungsSchwankungen an der Versorgungsspannungsleitung (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz (f) des Pulsweitenmodulationssignals (S) abhängig von dem Tastverhältnis (Tv) verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
■ die Ansteuerfrequenz (f) so abhängig von dem Tastverhält- nis (Tv) angepasst wird, dass die maximal zulässige Verlustleistung in dem elektrischen Bauelement (6) nicht ü- berschritten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz (f) so abhängig von dem Tastverhältnis (Tv) angepasst wird, dass die 'Ansteuerfrequenz (f) möglichst hoch gewählt wird, um eine bessere Filterung der SpannungsSchwankungen auf der Versorgungsspannungsleitung (5) zu erreichen.
4. Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors (1) mit Hilfe eines Pulsweitenmodulationssignals (S) , wobei das Pulsweitenmodulationssignal (S) eine Ansteuerfrequenz (f) und ein Tastverhältnis (Tv) aufweist, wobei der Elektromotor (1) mit einer über eine Schalteinrichtung (2) steuerbaren VersorgungsSpannung betreibbar ist, wobei die VersorgungsSpannung durch eine Tiefpassfilterschaltung gefiltert ist, um durch das Pulsweitenmodulationssignal (S) bewirkte Spannungsschwankungen auf einer Versorgungsspannungsleitung (5) zu reduzieren, wobei ein Steuermodul (4) das Pulsweitenmodulationssignal (S) generiert, um die Schalteinrichtung (2) gemäß dem Tastverhältnis (Tv) zu schalten, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (4) die Ansteuerfrequenz (f) des Pulsweitenmodulationssignals (S) abhängig von dem Tastverhältnis (Tv) generiert.
5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (4) die Schalteinrichtung (2) mit einer Ansteuerfrequenz des Pulsweitenmodulationssignal (S) so ansteuert, dass eine Verlustleistung (Pv) in der Tiefpassfilterschaltung und/oder der Schalteinrichtung (2) einen maximal zulässigen Wert nicht überschreitet.
6. Ansteuerschaltung nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekenn- zeichnet, dass die Tiefpassfilterschaltung einen Kondensator (6) und/oder eine Spule (7) umfasst.
EP03815522A 2003-01-20 2003-12-10 Verfahren und steuerschaltung zur ansteuerung eines elektromotors mithilfe eines pulsweitenmodulationssignals Ceased EP1588478A2 (de)

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