Steuerschaltung für eine Anordnung mit wenigstens zwei parallel an ein Gleichspannungsnetz anschließbaren Gleichstrommotoren

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Steuerschaltung für eine Anordnung mit wenigstens zwei parallel an ein Gleichspannungsnetz anschließbaren Gleichstrommotoren, insbesondere einer Schaltung zur Steuerung von wenigstens zwei Lüftermotoren eines Kraftfahrzeuges, wie sie in bekannten Schaltungsanordnungen von Luft-Leistungssteuerungen in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Die Steuerung derartiger Motoren erfolgt durch Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung mit einer Taktfrequenz von üblicherweise etwa 20 kHz, wobei das Pulsweitenverhältnis die Motorklemmenspannung bestimmt. Damit wird die Leistung des Motors, beziehungsweise sein Moment und seine Drehzahl eingestellt. Die Gleichstrommotoren werden hierbei in Reihe mit zugeordneten Leistungsschaltelementen zwischen den Pluspol und den Minuspol des Gleichspannungsnetzes geschaltet, wobei den Motoren jeweils ein Freilaufkreis mit je einer Leistungsdiode und einer gemeinsamen Verbindung zurück zum Pluspol des Gleichspannungsnetzes über eine Drossel und ein weiteres Leistungsschaltelement zugeordnet ist. Dieses weitere Leistungsschaltelement im Freilaufkreis dient dann gleichzeitig dem Verpolschutz für die Schaltungsanordnung und wird im Verpolungsfall hochohmig geschaltet.

Weiterhin ist aus der DE 103 44 301 A eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines einzelnen induktiven elektrischen Verbrauchers bekannt, welche erste und zweite Schaltelemente aufweist, wobei das erste Schaltelement in Reihe mit einem Widerstandselement und dem Verbraucher zwischen die Anschlussklemmen eines Gleichspannungsnetzes geschaltet ist. Ferner ist hierbei parallel zu der Reihenschaltung aus dem Widerstandselement und dem ersten Schaltelement ein zweites Leistungsschaltelement

angeordnet, welches durch Pulsweitenmodulation steuerbar ist zur Einstellung der Leistung des Verbrauchers im Betrieb. Diese bekannte Steuerschaltung offenbart jedoch keine Leistungssteuerung für parallel geschaltete Elektromotoren und sie macht auch keine Angaben über Schaltungsmöglichkeiten für den Freilauf des Motors und zur Verhinderung von Schäden durch eine Verpolung beim Anschluss an das Gleichspannungsnetz. Außerdem sind die getroffenen Maßnahmen zur Erfassung des Motorstromes verhältnismäßig aufwendig und kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung für eine Anordnung mit wenigstens zwei parallel an ein Gleichstromnetz anschließbaren Gleichstrommotoren anzugeben, welche unter Verwendung einer möglichst geringen Anzahl von Bauelementen einen sicheren Betrieb der parallel geschalteten Motoren ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in grundsätzlich bekannter Weise die Halbleiterschaltelemente und die Vorwiderstände jeweils zwischen dem Gleichstrommotor und dem Minuspol des Gleichspannungsnetzes angeordnet sind, weil in diesem Fall die benötigten Steuerspannungen für die Halbleiterschaltelemente auf einem niedrigerem Niveau liegen können als die Versorgungsspannung des Gleichspannungsnetzes, wodurch Kosten beim Aufbau der Ansteuerung für die Halbleiterschaltelemente eingespart werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn wenigstens einzelne Halbleiterschaltelemente als Sense-FETs ausgebildet sind, weil derartige Halbleiterschaltelemente direkt zur Strommessung im Leitungsstrang verwendbar sind, ohne zusätzliche aufwendige Schaltungsmaßnahmen. Außerdem erlaubt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung die Einsparung weiterer Bauelemente für den Freilaufbetrieb der Gleichstrommotoren.

Die Halbleiterschaltelemente werden in der erfindungsgemäßen Steuerschaltung vorteilhafterweise durch einen MikroController angesteuert, weil so die verschiedenen Steuerungsmaßnahmen in einer Ansteuerschaltung zusammengefasst werden können. Insbesondere ist hierbei eine besonders einfache und preiswerte überprüfung der Polarität des angeschlossenen

Gleichspannungsnetzes möglich, indem dem MikroController neben einem Sollwert für die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente zusätzlich ein Prüfsignal für die Polarität der angeschlossenen Gleichspannung zugeführt wird. Hierdurch wird ohne zusätzliche Schaltelemente erreicht, dass die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente nur freigegeben wird, wenn der MikroController die korrekte Polung der angeschlossenen Gleichspannung erkannt hat.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispieles .

Die Abbildung zeigt eine Steuerschaltung für zwei parallel an ein Gleichspannungsnetz angeschlossene Gleichstrommotoren, welche jeweils mit einem Lüfter gekoppelt sind.

In der Abbildung sind mit 10 ein erster Gleichstrommotor und mit 12 ein zweiter Gleichstrommotor bezeichnet, welche parallel über eine Leitung 14 mit dem Pluspol 16 eines Gleichspannungsnetzes verbunden sind. Der Minuspol des Gleichspannungsnetzes ist mit 18 bezeichnet, zwischen den Pluspol 16 und dem Minuspol 18 ist zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit eine Zwischenkreiskapazität 20 geschaltet.

Die Gleichstrommotoren 10 und 12 sind jeweils mit einem in der Zeichnung symbolisch angedeuteten Lüfter gekoppelt und vorzugsweise für die Verwendung bei einem Kühlgebläse eines Kraftfahrzeuges bestimmt. Die Anordnung von zwei getrennten Motoren eröffnet beim Einbau in den Motorraum eines

- A -

Kraftfahrzeuges die Möglichkeit, die Bauhöhe im Bereich der Motorhaube des Fahrzeuges zu reduzieren, so dass der Konstrukteur eine größere Gestaltungsfreiheit für die Fahrzeugfront erhält. Außerdem eröffnet die Verwendung von zwei kleineren Gebläseeinheiten statt einer großen Einheit bessere Möglichkeiten bei der Führung und Bemessung der Kühlluft und damit eine bessere Nutzung der Luftleistung bei der Kühlung des Fahrzeugmotors . Entsprechende überlegungen gelten auch bei der Verwendung von zwei kleineren Motoren anstelle eines großen Motors beispielsweise bei der Anwendung im Klimagebläse eines Kraftfahrzeuges .

Die Gleichstrommotoren 10 und 12 sind über je einen niederohmigen Hochlastwiderstand 22 und 24 sowie über ein gemeinsames Halbleiterschaltelement 26 in Form eines Sense-FET mit einer Masseleitung 28 und über diese mit dem Minuspol 18 des Gleichspannungsnetzes verbunden. Weiterhin ist jeder masseseitige Anschluss der Gleichstrommotoren 10 und 12 über getrennte Halbleiterschalter 30 und 32 und über die Masseleitung 28 an den Minuspol 18 des Gleichspannungsnetzes angeschlossen, wobei auch für diese Halbleiterschaltelemente Sense-FETs verwendet sind. Hierbei ist jeweils die Drain-Elektrode der Sense-FETs mit je einem masseseitigen Anschluss der Elektromotoren 10 und 12 verbunden, die Source Elektroden sind an die Masseleitung 28 angeschlossen.

Zur Steuerung der Halbleiterschaltelemente 26, 30 und 32 sind deren Gate-Elektroden mit zugeordneten Steuerausgängen eines MikroControllers 34 verbunden. Die Messelektroden der Sense-FETs 26, 30 und 32 liefern dem MikroController 34 die Information über die Höhe des im jeweiligen Schaltungszweig fließenden Stromes. Der MikroController 34 ist zur Spannungsversorgung mit der Plusleitung 14 und mit der Masseleitung 28 des Gleichspannungsnetzes verbunden, an zwei weiteren Eingängen erhält er einen Sollwert 36 für die Steuerung der Motorströme sowie ein Prüfsignal 28 zur Kontrolle der korrekten Polung des

Gleichspannungsnetzes beim Anschluss der Steuerschaltung an dasselbe .

Die Steuerschaltung arbeitet folgendermaßen:

Entsprechend dem anliegenden Sollwert 36 liefert der MikroController 34 Steuersignale an die Halbleiterschaltelemente für die Gleichstrommotoren 10 und 12, vorausgesetzt das Prüfsignal 38 signalisiert die korrekte Polung der Gleichspannung an den Polen 16 und 18. In der Anlaufphase erhält der erste Sense-FET 26 von dem MikroController 34 ein permanentes Einschaltsignal an seiner Gate-Elektrode. Der Sense- FET 26 wird leitend und verbindet die Augänge der Gleichstrommotoren 10 und 12 gleichzeitig und gemeinsam über die Vorwiderstände 22, beziehungsweise 24 und seine Drain- und Source-Elektroden mit dem Minuspol 18 des Gleichspannungsnetzes. Die Summe aus den über die Motoren 10 und 12 fließenden Strömen wird an den Auswerteelektroden des Sense-FETs 26 erfasst und an den MikroController 34 geliefert, welcher nach dem Erreichen eines vorgegebenen Anlauf-Summenstroms über die Motoren 10 und 12 gepulste Einschaltsignale an die Gate-Elektroden des zweiten Sense-MOSFET 30 und des dritten Sense-MOSFET 32 liefert. Entsprechend dem Tastverhältnis dieser Steuersignale wird der Gleichstrommotor 10 über den zweiten FET 30 und der Gleichstrommotor 12 über den dritten FET 32 unter Umgehung der Vorwiderstände 22 und 24 direkt mit der Masseleitung 28 verbunden. Die Sense-Elektroden der Sense-FETs 30 und 32 liefern getrennte Messwerte für die Motorströme an den MikroController 34. Der erste Sense-FET 26 bleibt dauernd leitfähig, während die Sense-FETs 30 und 32 mit einer Frequenz oberhalb von 15 kHz, vorzugsweise mit einer Frequenz von 20 kHz, getaktet werden.

Da die Gleichstrommotoren 10 und 12 bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen im Wesentlichen zur Verringerung der Baugröße gegenüber einem entsprechend größeren Einzelmotor Anwendung finden, werden sie über ein gemeinsames Halbleiterschaltelement

26 in Form des ersten Sense-FET gleichzeitig eingeschaltet. Die Motoren 10 und 12 können dabei gleich groß sein oder entsprechend den benötigten Kühlluftströmen unterschiedliche Leistungen abgeben. Entsprechendes gilt für die Vorwiderstände 22 und 24, wobei gegebenenfalls dem Motor mit der höheren Leistung zur Reduzierung der Gesamtverlustleistung ein kleinerer Vorwiderstand zugeordnet ist. Exakt gleiche Leistungen der Motoren 10 und 12 vermeidet man zur Unterdrückung von durch Schwebungen verursachten Resonanzen, welche bei unterschiedlichen Drehzahlen nicht auftreten.

Bei einer üblichen Leistung von 500 W für einen derartigen Gleichstrommotor für ein Kühlluftgebläse liegt die Verlustleistung am Vorwiderstand 22 oder 24 beim Anlauf der Motoren in einer Größenordnung von 100 W, der Motor selbst nimmt beim Anlauf eine Leistung in der Größenordnung von 200 W auf. Im Betrieb reduziert sich die Verlustleistung an den Vorwiderständen 22 und 24 mit zunehmendem Tastverhältnis der PWM-Ansteuerung der Halbleiterschalter 30 und 32 und wird bei voll durchgesteuerten Halbleiterschaltern nahezu Null. Dabei steigt gleichzeitig die vom Motor aufgenommene Leistung von der Anlaufleistung von etwa 200 W auf die volle Motorleistung von 500 W beim Anwendungsbeispiel.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ermöglicht mit geringem Bauelementeaufwand den gesteuerten Betrieb von zwei oder gegebenenfalls mehr parallel geschalteten Gleichstrommotoren an einem Gleichspannungsnetz . Hierbei wird in der Anlaufphase der Motoren nur ein gemeinsames Schaltelement benötigt, welches zusätzlich die sonst üblichen Bauelemente in den einzelnen Freilaufkreisen der Motoren ersetzt, da es im Betrieb dauernd eingeschaltet bleibt und dabei den Freilaufstrom übernehmen kann. Sonst benötigte Freilaufdioden, Freilaufdrosseln und gegebenenfalls Elektrolytkondensatoren können entfallen. Die Vorwiderstände 22 und 24 sind hierbei so dimensioniert, dass die

Gleichstrommotoren 10 und 12 im Anlaufbereich etwa 20% bis 50% ihrer Nenndrehzahl erreichen.

Die Drehzahlen der Gleichstrommotoren 10 und 12 können bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf unterschiedliche Weise eingestellt werden. Neben der Wahl unterschiedlicher Motoren ist deren Drehzahl im Anlaufbetrieb durch die Größe des Vorwiderstandes 22, beziehungsweise 24 bestimmt. Bei der Ansteuerung der Motoren über die Halbleiterschaltelemente 30 und 32 können zudem durch unterschiedliche Tastverhältnisse der Pulsweitenmodulation unterschiedliche Drehzahlen für die beiden Motoren gewählt werden. Der Vorwiderstand ist in diesem Fall niederohmig durch den zugeordneten Halbleiterschalter überbrückt. Der zweite oder jeder weitere Gleichstrommotor kann dabei entweder weiter über einen Vorwiderstand oder direkt über den zugeordneten Halbleiterschalter mit individuell wählbarem Tastverhältnis angesteuert werden.

Neben der Einsparung von Bauelementen für den Freilaufbetrieb und/oder für den Verpolungsfall ermöglicht die erfindungsgemäße Steuerschaltung bei Verwendung von Sense-FETs als Halbleiterschaltelemente 26, 30 und/oder 32 auch die Erfassung des im jeweiligen Leitungszweig fließenden Stromes und damit die überwachung einer eventuellen Blockierung oder Schwergängigkeit des betreffenden Motors . Auch durch diese Maßnahme kann der Schaltungsaufbau weiter deutlich reduziert werden. Gegebenenfalls werden dabei für hohe Motorströme parallel geschaltete Halbleiterschaltelemente eingesetzt. Soll andererseits auf die Verwendung von Sense-FETs für die Halbleiterschalterelemente 26, 30 und/oder 32 verzichtet werden, so kann im Anlaufbetrieb auch der Spannungsabfall an den Vorwiderständen 22 und 24 gemessen und für die Bestimmung der Motorströme ausgewertet werden. Weiterhin ist es möglich, bei Verwendung normaler MOSFETs für die Halbleiterschaltelemente 30 und 32 eine Strommessung, insbesondere eine Blockiererkennung, derart zu realisieren, dass bei Volllast und einer Drehzahl der

Motoren von 100% die Halbleiterschalter 30 und/oder 32 kurzzeitig geöffnet und dabei der über den Vorwiderstand fließende Motorstrom gemessen wird, entweder an den Sense- Elektroden des ersten Sense-FETS 26 oder an dem zugeordneten Vorwiderstand 22 oder 24.

Die Schaltung kann insgesamt sowohl als sogenannte Highside- Schaltung oder als Lowside-Schaltung ausgebildet werden. Funktional sind beide Schaltungen gleichwertig. Die Lowside- Schaltung bietet den Vorteil, dass für die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente 26, 30 und 32 keine erhöhten Steuerspannungen benötigt werden, die Highside-Schaltung hat den Vorteil, dass die Spannung des Gleichspannungsnetzes nicht dauernd an den vom Pluspol 16 des Netzes abgewandten Anschlüssen der Gleichstrommotoren 10 und 12, beziehungsweise am Verbindungspunkt hinter den Vorwiderständen 22 und 24 anliegt.