DE4038199A1 - Schaltungsanordnung zur begrenzung transienter spannungs- und stromspitzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Be­ grenzung transienter Spannungs- und/oder Stromspitzen an den Anschlüssen eines über eine elektronische Schaltein­ richtung aus einer Spannungsquelle gespeisten Elektromo­ tors.

Aus der DE-AS 15 13 514 ist eine elektronische Schaltungs­ anordnung zur selbsttätigen Kurzschlußbremsung eines Gleichstromnebenschlußmotors bekannt, bei der ein Schalter in dem von einer Gleichspannungsquelle versorgten Anker­ kreis des Gleichstromnebenschlußmotors liegt. Eine Diode ist im Motorbetrieb in Durchlaßrichtung des Quellenstromes gepolt, während die Emitter-Kollektor-Strecke eines Tran­ sistors parallel zur Ankerwicklung des Motors liegt. Pa­ rallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors ist die Diode geschaltet, während parallel zur Basis-Kollektor- Strecke des Transistors ein Widerstand geschaltet ist.

Um den Gleichstrommotor mit möglichst geringem Nachlauf abzubremsen, ist parallel zur Ankerwicklung des Motors ei­ ne Reihenschaltung aus einer weiteren Diode und einem Kon­ densator sowie zwischen der Diode und dem Kondensator der kollektorseitige Anschluß des Widerstandes geschaltet.

Zwar ermöglicht die bekannte Schaltungsanordnung eine Ver­ ringerung der Auslaufzeit des Motors beim Bremsen, jedoch können transiente Spannungs- und/oder Stromspitzen an den Motoranschlüssen bzw. im Motorstromkreis aufgrund der im Motor gespeicherten Energie nicht vermieden werden, so daß beim Ein-, Aus- und Umschalten der Drehrichtung des Elek­ tromotors Spannungs- und Stromtransienten auftreten, die eine erhebliche Gefahr für die Bauelemente in den Ansteu­ erstufen des Elektromotors bedeuten und darüber hinaus Störsignale erzeugen, die insbesondere in isolierten Net­ zen stark störend sind.

Ein Beispiel für ein isoliertes Netz ist das Bordnetz ei­ nes Kraftfahrzeugs, bei dem durch das Ein-, Aus- und Um­ schalten der Drehrichtung eines Elektromotors erzeugte Störsignale infolge der induktiven Abschaltspitzen in der Gesamtverkabelung auftreten und ihre störende Wirkung hin­ sichtlich des Rundfunkempfangs und hinsichtlich des feh­ lerverursachenden Einflusses auf die gesamte Bordelektro­ nik entfalten.

Zur Unterdrückung der induktiven Abschaltspitzen werden Zenerdioden, Varistoren, Dioden und Widerstands-Kondensa­ tor-Kombinationen verwendet, die parallel zu den Motoran­ schlüssen geschaltet bzw. im Motorstromkreis angeordnet werden. Diese Komponenten zur Begrenzung der induktiven Abschaltspitze machen jedoch erhebliche Mehrkosten hin­ sichtlich der Beschaffungs- und Montagekosten erforderlich und bedingen einen größeren Platzbedarf zu ihrer Anord­ nung.

Der erhöhte Platzbedarf zur Anordnung der Entstörkomponen­ ten erweist sich besonders dort als nachteilig, wo ohnehin auf sehr engem Raum der Elektromotor und die zur Steuerung des Elektromotors erforderliche Ansteuerelektronik ange­ ordnet werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schal­ tungsanordnung zur Begrenzung transienter Spannungs­ und/oder Stromspitzen beim Ein-, Aus- und Umschalten der Drehrichtung eines Elektromotors zu schaffen, die keine zusätzlichen Entstörkomponenten benötigt, eine kostengün­ stige Montage und Teilepreise sicherstellt und gewährlei­ stet, daß beim Ein-, Aus- und Umschalten der Drehrichtung des Elektromotors keine Funkenbildung und daraus resultie­ rende Störungen insbesondere in einem abgeschlossenen Bordnetz auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine platzsparende Installation eines Elektromotors mit der dazugehörigen An­ steuerelektronik durch den Verzicht auf zusätzliche Ent­ störkomponenten, eine kostengünstige Montage und geringe Teilepreise sowie einen störungsfreien Betrieb ohne das Auftreten von Funkenbildung beim Ein-, Aus- und Umschalten der Drehrichtung des Elektromotors mit daraus resultieren­ dem Entfallen von Rundfunkempfangsstörungen sowie weniger Störungen im gesamten Bordnetz.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von der Erkenntnis aus, daß die induktiven Abschaltspitzen beim Ein-, Aus- und Um­ schalten der Drehrichtung des Elektromotors dann vermieden werden können, wenn durch eine intelligente Ansteuerung des Elektromotors immer ein Weg für den Strom geöffnet wird, so daß sowohl eine gesteuerte Begrenzung der Größe der transienten Spannungs- und/oder Stromspitzen erzielt als auch ein kontrolliertes Bremsen sowie eine kontrol­ lierte Drehrichtungsumkehr und Beschleunigung des Elektro­ motors ermöglicht wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemaßen Lö­ sung ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei in Reihe geschaltete und parallel zu den Motoranschlüssen liegende steuerbare Halbleiterbauelemente gleichzeitig eingeschaltet werden.

Die gleichzeitige Einschaltung zweier parallel zu den Mo­ toranschlüssen in Reihe geschalteter Halbleiterbauelemente verringert zum einen die Auslaufzeit des Motors im Brems­ betrieb und ermöglicht zum anderen einen Stromfreilauf, mit dem induktive Abschaltspitzen vermieden werden, so daß neben einer Vermeidung von Störsignalen in der Gesamtver­ kabelung ein Schutz der Ansteuerendstufen vor Zerstörung infolge der Spannungs- und/oder Stromspitzen geschaffen wird.

In vorteilhafter Weise werden die steuerbaren Halbleiter­ bauelemente bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximal­ wertes des Motorstroms bzw. der Motorspannung im Taktbe­ trieb ein- und ausgeschaltet, wobei insbesondere der Be­ trieb der steuerbaren Halbleiterbauelemente als Gleich­ stromsteller mit Pulsbreiten- oder Pulsfolgesteuerung vor­ teilhaft ist.

Die Öffnung eines Strompfades zur Begrenzung der Größe des Transients bewirkt ein Kappen der Spannungs- bzw. Strom­ spitzen, so daß neben einer Kontrolle der Bewegungsände­ rung des Elektromotors ein Schutz für die elektronischen Bauteile geschaffen und das Auftreten von Störsignalen vermieden wird.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung können im Bremsbetrieb die Motoranschlüsse kurzgeschlossen oder der Elektromotor kurzzeitig in Gegenrichtung angesteuert und daran anschließender ein die transienten Spannungs- bzw. Stromspitzen begrenzender Strompfad eingestellt werden, wobei der aus der induktiven Spannung resultierende tran­ siente Motorstrom durch Öffnen und Schließen der steuerba­ ren Halbleiterbauelemente der Brückenschaltung im Taktbe­ trieb oder durch Veränderung des Widerstandswertes des Laststrompfades der Halbleiterbauelemente erfolgen kann.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispieles soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.

Es zeigen:

Figur 1 eine Steuerschaltung für einen Elektromotor mit vier in H-Brückenschaltung angeordneten Feldeffekttransistoren und

Fig. 2 eine zeitliche Darstellung der Drehzahl und des Stromes sowie der Ansteuersignale eines Elektromotors zum Antrieb beispielsweise eines elektrischen Fensterhebers in Kraftfahrzeugen.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung zeigt ei­ nen in einer Brückendiagonalen einer aus vier Feldeffekt­ transistoren 1, 2, 3, 4 bestehenden H-Brückenschaltung an­ geordneten Elektromotor 5. An die andere Brückendiagonale ist eine Spannungsquelle U bzw. Massepotential angeschlos­ sen und dient zur Speisung des Elektromotors 5, dessen Drehzahl und Drehrichtung durch die Öffnung eines Strom­ pfades mittels der Feldeffekttransistoren 1, 2, 3, 4 be­ stimmt wird, die über Ansteuerleitungen 11, 12, 13, 14 mit einer Steuerschaltung 6 verbunden sind.

Zwei der vier Feldeffekttransistoren 1, 2, 3, 4, nämlich die Feldeffekttransistoren 1 und 2 können als Sensor­ Feldeffekttransistoren mit einem zusätzlichen Sensoran­ schluß ausgebildet sein, wobei der Sensoranschluß dieser Feldeffekttransistoren 1, 2 einen Signalstrom abgibt, der einen Bruchteil des durch den betreffenden Sensor-Feld­ effekttransistor 1, 2 fließenden Laststromes ist.

In der dargestellten H-Brückenschaltung sind die Drain- bzw. Sourceanschlüsse der beiden Sensor-Feldeffekttransis­ toren 1, 2 miteinander verbunden und an den positiven Pol U der Spannungsquelle angeschlossen, während die Source- bzw. Drainanschlüsse der beiden verbleibenden Feldeffekt­ transistoren 3, 4 an Massepotential angeschlossen sind.

Die Verbindung der Lastanschlüsse der Sensor-Feldeffekt­ transistoren 1, 2 einerseits und der beiden verbleibenden Feldeffekttransistoren 3, 4 andererseits sind mit den Mo­ toranschlüssen 51, 52 des Elektromotors 5 verbunden.

Die Steuerschaltung 6 ist über eine weitere Leitung 8 mit zusätzlichen Bedienelementen bzw. einer übergeordneten Steuer- und Regelschaltung verbunden. Weitere Anschlüsse der Steuerschaltung 6 sind mit einem Stromsensor 7 im Mo­ torstromkreis des Elektromotors 5 bzw. mit den Motoran­ schlüssen 51, 52 zur Erfassung der Spannung an den Motor­ anschlüssen verbunden.

Zum Beschleunigen des Elektromotors 5 in der einen oder anderen Drehrichtung bzw. zur Aufrechterhaltung der Dreh­ zahl des Elektromotors 5 in der einen oder anderen Dreh­ richtung werden wahlweise die Feldeffekttransistoren 1 und 4 bzw. 2 und 3 in den leitfähigen Zustand gesteuert, so daß der Ankerstrom von der Spannungsquelle U über den An­ kerstromkreis des Motors 5 sowie wahlweise durch die Feld­ effekttransistoren 1 und 4 bzw. 2 und 3 fließt.

Zur Begrenzung transienter Strom- bzw. Spannungsspitzen beim Beschleunigen des Elektromotors 5 bzw. bei Drehzahl­ änderungen des Elektromotors kann wahlweise auf einen Pulsbetrieb der den Ankerstrom in ihrem Lastkreis führen­ den Feldeffekttransistoren 1 und 4 bzw. 2 und 3 umgeschal­ tet werden bzw. zur Begrenzung des Ankerstromes der Leit­ fähigkeitszustand der betreffenden Feldeffekttransistoren 1, 2, 3, 4 verändert werden. Zusätzlich kann bei plötzlich auftretenden Spannungs- bzw. Stromspitzen ein Strompfad geöffnet werden, der beispielsweise kurzzeitig die Motor­ anschlüsse 51, 52 kurzschließt. Die Erfassung derartiger Spannungs-bzw. Stromspitzen erfolgt mit dem Stromsensor 7 bzw. die Spannungserfassung an den Motoranschlüssen 51, 52 und/oder über die Sensorleitungen 15, 16 der Sensor- Feldeffekttransistoren 1, 2.

Anstelle der Verwendung von Feldeffekttransistoren in H- Brückenschaltung können selbstverständlich auch Transisto­ ren vorgesehen werden, deren Leitfähigkeit kontinuierlich verändert werden kann, so daß transiente Spannungs- bzw. Stromspitzen durch Erhöhen des Widerstandswertes der einen Strompfad öffnenden Transistoren begrenzt werden können.

Zum Abbremsen des Elektromotors 5 werden beispielsweise in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 die Feldeffekttran­ sistoren 1, 2 eingeschaltet, so daß der Elektromotor 5 elektrisch gebremst wird. Die im Elektromotor 5 gespei­ cherte Energie bewirkt einen Stromanstieg durch die Sensor- Feldeffekttransistoren 1, 2, was sich in einem entsprechendem Anstieg des über die Sensoranschlüsse die­ ser Sensor-Feldeffekttransistoren 1, 2 erfaßten Stromes auswirkt.

Die mit den Sensoranschlüssen der Sensor-Feldeffekttran­ sistoren 1, 2 verbundene Steuerschaltung empfängt die Stromsignale von den beiden Sensor-Feldeffekttransistoren 1, 2 und wandelt sie in ein Spannungssignal um, das der Summe der positiven Ströme, d. h. der vom Drain- zum Sour­ ceanschluß fließenden Ströme durch die beiden Sensor-Feld­ effekttransistoren 1, 2 entspricht.

Tritt beim Abbremsen des Elektromotors 5 ein transienter Spannungs- bzw. Stromanstieg auf, so kann der Bremsbetrieb kurzzeitig verlangsamt werden, indem die den Klemmenkurz­ schluß bewirkenden Feldeffekttransistoren 1, 2 im Pulsbe­ trieb ein- und ausgeschaltet werden bzw. indem der Wider­ standswert des Strompfades erhöht wird. In Ergänzung hier­ zu kann ein weiterer paralleler Strompfad beispielsweise durch Ansteuern der Feldeffekttransistoren 3 und 4 erfol­ gen, so daß insgesamt die transiente Spannungs- oder Stromspitze gekappt wird.

Wird eine Verstärkung des Bremsbetriebes gewünscht, so kann alternativ hierzu der Elektromotor 5 in Gegenrichtung angesteuert und zur Vermeidung von Spannungs- und Strom­ transienten ein Strompfad entsprechend der vorstehend be­ schriebenen Steuerung geöffnet werden.

Fig. 2 zeigt die Drehzahl, den Motorstrom und die An­ steuerimpulse für die Feldeffekttransistoren gemäß Fig. 1 über der Zeit bei Anwendung unterschiedlicher Verfahren zum Abbremsen des Elektromotors 5.

Die gestrichelte Darstellung zeigt die Drehzahlverringe­ rung des Elektromotors 5 bei nicht gebremstem Elektromo­ tor, während die durchgezogene Linie den Drehzahl-, Motor­ strom- und Steuerimpulsverlauf bei aktiv gebremstem Elek­ tromotor 5 zeigt.

Wird beim Abbremsen des Elektromotors 5 die Drehrichtung des Elektromotors 5 reversiert, so ergibt sich ein strich­ punktiert dargestellter Verlauf der Drehzahl, des Motor­ stroms und der Ansteuerimpulse für die Feldeffekttransi­ storen.

Zum Zeitpunkt t0 wird bei einem Bremsverfahren der Brems­ vorgang eingeleitet, im Zeitraum zwischen t0 und t1 klingt der induktive Strom im Elektromotor 5 aufgrund des Frei­ laufs in der H-Brückenschaltung ab, wobei die Motordreh­ zahl und Drehrichtung des Elektromotors 5 in diesem Zeit­ intervall als konstant angesehen wird. Zum Zeitpunkt t1 wird die Drehrichtung des Elektromotors 5 über die H- Brückenschaltung reversiert, indem die Feldeffekttransi­ storen 3 und 4 eingeschaltet werden.

Zwischen dem Zeitpunkt t1 und t2 bzw. t1 und t3 wird eine lineare Verzögerung bzw. Beschleunigung in der entgegenge­ setzten Richtung angenommen, da von diesem Zeitpunkt an entweder die andere Drehrichtung des Elektromotors 5 bei Reversieren des Motors eingenommen bzw. der Motor stillge­ setzt wird.

Zur Begrenzung des Spannungs- und Stromtransients kann im Bremsbetrieb beispielsweise der Feldeffekttransistor 1 im Pulsbetrieb mit Pulsbreiten- oder Pulsfolgesteuerung be­ trieben werden, so daß kurzzeitig infolge des durchgesteu­ erten Feldeffekttransistors 2 ein Freilaufpfad über die Motoranschlüsse 51, 52 gemäß Fig. 1 geschaffen wird.

In den jeweiligen Impulslücken kann dann der Feldeffekt­ transistor des anderen Brückenzweiges angesteuert werden, so daß eine gesteuerte Abbremsung bzw. kurzzeitige Dreh­ richtungsumkehr des Elektromotors 5 bewirkt werden kann. Die Ansteuerung der Feldeffekttransistoren 1, 2, 3, 4 er­ folgt vorzugsweise mittels eines Mikrocomputers als Steu­ erschaltung 6.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung transienter Spannungs- und Stromspitzen an den Anschlüssen eines über eine elektronische Schalteinrichtung aus einer Spannungs­ quelle gespeisten Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung aus einer Brücken­ schaltung mit vier steuerbaren Halbleiterbauelementen (1, 2, 3, 4) besteht, deren eine Brückendiagonale an die Span­ nungsquelle (U) und deren andere Brückendiagonale mit den Motoranschlüssen (51, 52) des Elektromotors (5) verbunden ist und daß die steuerbaren Halbleiterbauelemente (1, 2, 3, 4) von einer Steuerschaltung derart angesteuert werden, daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwerts des Motorstromes und/oder der Motorspannung ein die transien­ ten Spannungs- und/oder Stromspitzen begrenzender Strom­ pfad über die Brückenschaltung eingestellt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungs-Strom­ pfad in den Betriebszuständen der Beschleunigung, des Bremsens und der Drehrichtungsumkehr eingestellt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest zwei in Reihe geschaltete und parallel zu den Motoran­ schlüssen (51, 52) liegende steuerbare Halbleiterbauele­ mente (1, 2 bzw. 3, 4) gleichzeitig in den leitfähigen Zu­ stand geschaltet werden.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Begrenzungs- Strompfad einschaltenden steuerbaren Halbleiterbauelemen­ ten (1, 2 bzw. 3, 4) bei Überschreiten des vorgegebenen Maximalwerts des Motorstromes und/oder der Motorspannung im Taktbetrieb ein- und ausgeschaltet werden.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halb­ leiterbauelemente (1, 2, 3, 4) als Gleichstromsteller mit Pulsbreitensteuerung oder Pulsfolgesteuerung betrieben werden.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche zum Abbremsen des Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, daß die Motoranschlüsse (51, 52) durch zumindest zwei in Reihe geschaltete und pa­ rallel zu den Motoranschlüssen (51, 52) liegende steuerba­ re Halbleiterbauelemente (1, 2 bzw. 3, 4) kurzzeitig kurz­ geschlossen werden und daß anschließend ein die transien­ ten Spannungs- und/oder Stromspitzen begrenzender Strom­ pfad eingestellt wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche 1 bis 5 zum Abbremsen des Elektromotors, da­ durch gekennzeichnet, daß die Motoran­ schlüsse (51, 52) kurzzeitig in entgegengesetzter Dreh­ richtung angesteuert werden und daß anschließend bei Über­ schreiten des vorgegebenen Maximalwerts des Motorstroms und/oder der Motorspannung ein die transienten Spannungs- und/oder Stromspitzen begrenzender Strompfad eingestellt wird.