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Title:
CIRCUIT ARRANGEMENT AND METHOD FOR THE SHORT-CIRCUIT BRAKING OF A DIRECT-CURRENT MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/099081
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a circuit arrangement and a method for the short-circuit braking of a direct-current motor (M), especially a cooling fan motor for a motor vehicle, which is excited by permanent magnets and can be connected to a direct-current network (10,12), preferably the electric system of a motor vehicle, by means of an end stage (34) controlled by an electronic control system (20). The end stage (34) is controlled in a clocked manner and another switching element (M2) which is associated with the direct-current motor (M) as a freewheeling element and also as a brake switch (36) is alternately connected to the end stage (34) in a clocked manner. In this way, the motor brakes rapidly without loss, with corresponding heat and noise reduction, and energy is also saved by the recirculation of rotational energy of the motor as a regenerative braking process.

Inventors:
MOHR THOMAS (DE)
KNAB NORBERT (DE)
PODDEY CHRISTIAN (DE)
SEEBACHER DANIEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2005/050587
Publication Date:
October 20, 2005
Filing Date:
February 10, 2005
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
MOHR THOMAS (DE)
KNAB NORBERT (DE)
PODDEY CHRISTIAN (DE)
SEEBACHER DANIEL (DE)
International Classes:
H02P3/12; (IPC1-7): H02P3/12
Foreign References:
FR2040912A51971-01-22
US4415049A1983-11-15
EP0038214A21981-10-21
EP1107442A22001-06-13
US4401927A1983-08-30
EP1385261A22004-01-28
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (Stuttgart, DE)
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Claims:
An sprüche
1. Schaltungsanordnung zur Kurzschlussbremsung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines permanentmagnetisch erregten Kühlgebläsemotors für ein Kraftfahrzeug, welcher über eine von einer Ansteuerelektronik gesteuerte Endstufe an ein Gleichspannungsnetz, vorzugsweise an das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe (34,Ml) getaktet angesteuert wird und dass dem Gleichstrommotor (M) als Freilaufelement und als Bremsschalter (36) ein weiteres, getaktet angesteuertes Schaltelement (M2) zugeordnet ist, welches wechselweise zu der Endstufe (34,Ml) durch die Ansteuerelektronik einschaltbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe (34,Ml) und das weitere Schaltelement (M2) mit Schalttransistoren aufgebaut sind, die entsprechend dem Leistungsbedarf des Gleichstrommotors (M) mit variablem Tastverhältnis ansteuerbar sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (Ml,M2) der Endstufe (34) und der Freilauf, beziehungsweise Bremsstufe (36) als MOSFETs ausgebildet sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (20) einen Mikrocontroller (μC) aufweist, welcher an seinem Eingang einen Sollwert für die Drehzahl (n) des Gleichstrommotors (M) entsprechend dem Kühlungsbedarf eines KraftfahrzeugsMotors erhält.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (Ml,M2) der Endstufe (34) sowie der Brems und Freilaufstufe (36) in Reihe zwischen den Anschlüssen (10,12) des Gleichspannungsnetzes liegen und durch einen Elektrolytkondensator (18) überbrückt sind.
6. Verfahren zur Kurzschlussbremsung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines permanentmagnetisch erregten Kühlgebläsemotors für ein Kraftfahrzeug, welcher über eine von einer Ansteuerelektronik gesteuerte Endstufe an ein Gleichspannungsnetz, vorzugsweise an das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe (34,Ml) im Wechsel mit einem als Feilauf und BremsSchaltung (36) für den Motor (M) arbeitenden elektronischen Schaltelement (M2) durch die Ansteuerelektronik getaktet angesteuert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die...Schaltelemente (Ml,M2) der Endstufe (34) sowie der Feilauf und BremsSchaltung (36) als Schalttransistoren ausgebildet und entsprechend dem Leistungsbedarf des Gleichstrommotors (M) mit variablem Tastverhältnis ansteuerbar sind.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass über die Freilauf und Bremsschaltung (36) beim Bremsvorgang und/oder bei Verringerung des Leistungsbedarfs des Gleichstrommotors (M) Bremsenergie in Form eines generatorischen Stroms (I6) des in den Generatorbetrieb übergehenden Motors (M) nach Art einer Nutzbremsung in das Gleichspannungsnetz (10,12) zurückgespeist wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbremsung des Gleichstrommotors (M) gesteuert erfolgt durch Veränderung des Tastverhältnisses bei der Taktung der Endstufe (34,Ml) und des als Bremsschalter (36) arbeitenden Schaltelementes (M2) .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktung der Schaltelemente (Ml, M2) mit einer Frequenz von 1OkHz bis 3OkHz erfolgt.
Description:
Schaltungsanordnung und Verfahren zur KurzSchlussbremsung eines Gleichstrommotors

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung und einem Verfahren zur Kurzschlussbremsung eines Gleichstrommotors, wie sie aus der DE 199 59 785 A bekannt geworden sind. Diese Druckschrift zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der eine Wiedereinschaltung des Motors schaltungsbedingt verhindert wird, solange der den Motor kurzschließende Schalter noch angesteuert ist. Hierzu ist dem Motor ein Schalttransistor derart parallel geschaltet, dass seine Source-Seite mit der Plusklemme und seine Drain-Seite mit der Minusklemme des Gleichspannungsnetzes verbunden sind und sein Gate am Abgriff eines dem Schalttransistor parallel geschalteten Spannungsteilers aus einem Widerstand und einem Kondensator liegt, und wobei weiterhin dem Kondensator eine Diode derart parallel geschaltet ist, dass sie anodenseitig an der Minusklemme des Elektromotors und kathodenseitig an dem Minuspol des Gleichspannungsnetzes liegt. Mit dieser bekannten Schaltung wird die beim Abbremsen des Motors entstehende Energie in Form von Wärme vernichtet, eine Rückspeisung von Energie in das Gleichspannungsnetz ist nicht möglich. Für Anwendungen bei Motoren mit höherer Leistung ist eine derartige Schaltung ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Kurzschlussbremsung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines permanentmagnetisch erregten Kühlgebläsemotors für ein Kraftfahrzeug anzugeben, welche einerseits eine rasche Abbremsung des Motors und andererseits eine zumindest teilweise Rückspeisung von Bremsenergie in das den Motor speisende Gleichspannungsnetz erlauben. Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Hierbei wird durch die getaktete Ansteuerung der Endstufe des Motors im Wechsel mit einem weiteren, als Freilauf- und Bremselement für den Motor dienenden Schaltelement einerseits eine gesteuerte Abbremsung des Motors und andererseits eine Rückspeisung von Bremsenergie in das Gleichspannungsnetz möglich. Außerdem kann die bei der Abbremsung des Motors entstehende Wärme durch die Steuerung des Abbremsvorgangs begrenzt und somit thermische Probleme in der Schaltungsanordnung vermieden werden.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn sowohl die Endstufe als auch das weitere, für die Bremsung und den Freilauf verwendete Schaltelement als Schalttransistoren ausgebildet sind, die entsprechend dem Leistungsbedarf des Gleichstrommotor und dem gewünschten Grad seiner Abbremsung mit variablem Tastverhältnis ansteuerbar sind. Vorzugsweise werden hierbei als Schaltelemente MOSFETs vom Anreicherungstyp verwendet, welche den Vorteil haben, dass sie selbstsperrend sind und nur zur Leitendschaltung ein Ansteuersignal benötigen.

Als Ansteuerelektronik für die Schaltungsanordnung dient zweckmäßigerweise ein Mikrocontroller, der an seinem Eingang einen Sollwert für die Drehzahl des Gleichstrommotors enthält, welcher beispielsweise dem Kühlungsbedarf eines Kraftfahrzeugmotors entspricht. In diesem Fall ist die übergeordnete Führungsgröße für die Schaltungsanordnung der Kühlungsbedarf des Kraftfahrzeugmotors, wobei jedoch auch Komfortaspekte wie die Verminderung des durch den Gebläsemotor erzeugten Geräuschs berücksichtigt werden können. So kann beispielsweise die Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors als Richtwert für die Gebläseleistung des Gleichstrommotors verwendet werden, indem störende Geräusche durch das Gebläse durch eine längerfristige, verringerte KühlluftZuführung vermieden werden. Außerdem 5 können die Abbremsung des Motors und die hierbei erzeugte Rückspeiseleistung sowie die abzuführende Wärme gesteuert werden, indem das Tastverhältnis bei der Taktung des als Bremsschalter arbeitenden Schaltelementes entsprechend den Vorgaben gesteuert wird. 10 Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den ünteransprüchen und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.

15 Die Figur zeigt das Prinzip einer Schaltungsanordnung zur Kurzschlussbremsung eines fremderregten Gleichstrommotors.

In der Figur ist mit M ein Gleichstrommotor bezeichnet, welcher im Ausführungsbeispiel als permanentmagnetisch 20.-.. erregter Motor ausgebildet ist und als Kühlgebläsemotor für ein Kraftfahrzeug dient. Der Gleichstrommotor M wird gespeist aus einem Gleichspannungsnetz mit einem Pluspol 10 und einem an Masse liegenden Minuspol 12, wobei der Motor M einerseits direkt mit dem Pluspol 10 und andererseits über 25 einen MOSFET Ml vom Anreicherungstyp mit dem Minuspol 12 verbunden ist. In Reihe mit dem MOSFET Ml liegt zwischen den Polen des Gleichspannungsnetzes ein weiterer MOSFET M2 vom Anreicherungstyp parallel zu den Klemmen 14, 16 des Motors M. Hierbei sind der Source-Anschluss des MOSFET Ml mit dem 30 Minuspol 12 und sein Drain-Anschluss einerseits mit dem Source-Anschluss des MOSFET M2 und andererseits mit der Klemme 16 des Gleichstrommotors Ml verbunden. Der Drain- Anschluss des MOSFET M2 liegt am Pluspol 10 des Gleichspannungsnetzes. Außerdem ist zwischen dem Drain- - A -

Anschluss des MOSFET M2 und dem Minuspol 12 des Gleichspannungsnetzes ein Elektrolytkondensator 18 geschaltet. Die Ansteuerung der MOSFETs Ml und M2 erfolgt durch einen ebenfalls aus dem Gleichspannungsnetz 10, 12 gespeisten Mikrocontroller 20, welcher an einem Eingang 22 als Sollwertsignal ein Drehzahlsignal n entsprechend dem Kühlungsbedarf eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugmotors erhält, welcher durch ein mit dem Motor M gekoppeltes Gebläse 24 gekühlt wird. Die Ansteuerung der MOSFETs Ml und M2 erfolgt über hochfrequent getaktete Steuersignale, wobei Ausgänge 26, 28 des Mikrocontrollers 20 mit dem MOSFET Ml und Ausgänge 30, 32 mit dem MOSFET M2 verbunden sind. Die Taktfrequenz der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale für die MOSFET Ml und M2 liegt im Ausführungsbeispiel bei 23kHz, zweckmäßig ist ein Frequenzbereich für die Taktung zwischen 15 und 3OkHz, wobei hinsichtlich der Bauteileminimierung die genannte üntergrenze und hinsichtlich der Bauteileverluste die Obergrenze in diesem Bereich liegen sollte. Die Untergrenze ergibt sich auch aus dem Hörbereich des menschlichen Ohres. _.

Die Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen:

Der Gleichstrommotor M liegt mit seinem einen Anschluss 14 direkt am Pluspol 10 des Gleichspannungsnetzes. Er wird eingeschaltet, sobald seine Klemme 16 über die Endstufe 34 in Form des MOSFET Ml mit dem Minuspol 12 der GIeichspannungsquelle verbunden ist. Die Einschaltung des MOSFET Ml erfolgt mit einer hochfrequenten Taktung von ca. 2OkHz über die Ausgänge 26 und 28 der Ansteuerelektonik 20 in Form des Mikrocontrollers μC. Dieser erhält als Steuergröße an seinem Eingang 22 das Drehzahl-Sollsignal n für den Gleichstrommotor M und den mit ihm gekoppelten Lüfter 24. Das Gleichspannungsnetz mit den Polen 10 und 12 wird in diesem Fall gebildet durch das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit einer Gleichspannung von ca. 13V.

Der Gleichstrommotor M ist als permanentmagnetisch erregter Motor ausgebildet. Mit seinen Klemmen 14 und 16 ist er mit dem gleichzeitig als Freilaufelement und als BremsSchalter 36 dienenden MOSFET M2 verbunden. Die Ansteuerung des MOSFET M2 erfolgt ebenfalls hochfrequent getaktet mit der gleichen Frequenz wie die Ansteuerung des MOSFET Ml und zwar jeweils wechselweise zu diesem, sodass stets höchstens eines der beiden Schaltelemente Ml, M2 leitend, beziehungsweise nichtleitend ist.

Hierbei treten im Wesentlichen drei Betriebszustände auf, und zwar der Normalbetrieb für den Antrieb des Gleichstrommotors M mit einer bestimmten Drehzahl, weiterhin ein Betriebszustand, in dem die Antriebsleistung des Gleichstrommotors M deutlich reduziert wird, so dass dieser einen Energie-Überschuss besitzt, und schließlich der gesteuerte Bremsbetrieb, in dem das Schaltelement Ml der Endstufe 34 und das Schaltelement M2 der Brems- und Freilaufstufe 36 getaktet geschaltet werden.

Im Normalbetrieb bei Ansteuerung der Endstufe 34 entsprechend einer durch die Solldrehzahl n vorgegebenen Antriebsleistung des Gleichstrommotors M sei zunächst der MOSFET Ml leitend und der MOSFET M2 nichtleitend. In diesem Fall fließt ein Motorstrom IM über die Drain-Source-Strecke des MOSFET Ml. Bei leitendem MOSFET M2 und nichtleitendem MOSFET Ml fließt der Freilaufström über die Source-Drain- Strcke des MOSFET M2 in gleicher Richtung wie der Motorstrom IM. Eine sonst übliche Freilaufdiode oder ein anderer Freilaufkreis parallel zum Gleichstrommotor M werden ersetzt durch den verlustarmen MOSFET M2, welcher wegen einer über der Netzgleichspannung liegenden Steuerspannung an seiner Gate-Elektrode den Freilaufström über seine Source-Drain- Strecke leitet.

Ein zweiter Betriebszustand entsteht dadurch, dass der Gleichstrommotor M nach dem Antrieb mit hoher Leistung in seiner Antriebsleistung zurückgenommen wird durch kürzere Einschaltzeiten der Endstufe 34. In diesem Fall besitzt der Gleichstrommotor eine Überschussenergie, welche nach Art einer Nutzbremsung teilweise in das Gleichspannungsnetz zurückgespeist werden kann. Ist hierbei der MOSFET Ml leitend und der MOSFET M2 nichtleitend, so fließt ein generatorischer Strom IG als Rückspeisestrom in das Bordnetz- Ist der MOSFET Ml nichtleitend und der MOSFET M2 leitend, so fließt der erzeugte Strom IG über die Drain- Source-Strecke des MOSFET M2 und bewirkt eine Kurzschlussbremsung des Gleichstrommotors M. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der Gleichstrommotor M die durch das verringerte Tastverhältnis der Endstufe 34 vorgegebene reduzierte ..Soll-Drehzahl erreicht hat. Ein Teil der Überschussenergie bei reduziertem Kühlbedarf und entsprechender Reduktion der Antriebsleistung des Gleichstrommotors M kann somit als Nutzbremsenergie zurückgewonnen und in das Gleichstromnetz eingespeist werden. Diese Art der Bremsung kann grundsätzlich auch anstelle der Kurzschlussbremsung verwendet werden, wenn nicht die maximale Bremswirkung gefordert ist.

Als weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einem getakteten Schaltelement in Form des MOSFET M2 beispielsweise gegenüber einer Freilaufdiode eine deutliche Reduzierung der Verlustleistung und der hierbei entstehenden Wärme wegen der geringeren Verlustleistung bei Verwendung eines MOSFET, so dass zusätzlich zu der Steuerungsmöglichkeit der Bremsleistung durch die Verwendung eines verlustärmeren Bauelementes die entstehende Wärme noch weiter reduziert werden kann.

In der Schaltungsanordnung ist schließlich noch in grundsätzlich bekannter Weise ein Elektrolytkondensator 18 parallel zu den Schaltelementen Ml und M2 in den Gleichstromzwischenkreis eingeschaltet. Dieser Kondensator dient als Zwischenspeicher für die vom Motor aufgenommene Energie und erhöht den Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung dadurch, dass er den Speisestrom des Gleichstrommotors, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Drossel, glättet und Strom aus dem abgeschalteten Motor aufnehmen und diesen bei leitender Endstufe 34 wieder an den Motor abgeben kann. Hierdurch wird einerseits der Wirkungsgrad der SchaltungsanOrdnung erhöht und gleichzeitig das EMV- Verhalten der Anordnung verbessert.