DE4444492A1

DE4444492A1 - DC motor PWM speed control method e.g. for motor vehicle

Info

Publication number: DE4444492A1
Application number: DE4444492A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Liebl; Klaus Dipl Ing Spreng
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 1996-06-27

Abstract

The electronic speed control of a DC motor uses PWM triggering of a transistor switch (1) for the motor voltage supply. There are condensers (4,5,8) acting as filters against interference voltages. The PWM frequency is 100 kHz. The condensers are foil ones. The transistor is a FET. Between this and the voltage source (2) there is a pi-filter comprising a series inductance and two of the condensers, whose non-live sides are earthed. At the output of the FET is a freewheel diode (6) between this and earth, followed by a second series inductance (7), then the other condenser.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuerung für die Drehzahl eines Gleichstrommotors durch eine getak tete Ansteuerung.The invention relates to an electronic control for the speed of a DC motor through a getak control.

Es ist bekannt zur Drehzahleinstellung eines Elektromo tors über eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung von elektronischen Schaltern die Versorgungsspannung des Motors periodisch ein- und auszuschalten. Die Drehzahl des Motors ist dabei abhängig von der Länge des Aus tastintervalls. Die Taktfrequenz beträgt bei den be kannten Steuerungen üblicherweise ca. 20 kHz. Zum Aus filtern der entstehenden Störspannungen werden große Kapazitäten benötigt. Aus wirtschaftlichen Gründen wer den dafür meist Elektrolytkondensatoren eingesetzt, da andere Typen von Kondensatoren zum einen zu groß und zum anderen zu teuer wären. Elektrolytkondensatoren ha ben jedoch einen hohen Serienwiderstand, der bei großen Rippleströmen zu großen Verlustleistungen und zum Auf heizen des Kondensators führt. In Verbindung mit hohen Umgebungstemperaturen, wie sie z. B. beim Einsatz in Kraftfahrzeugen auftreten, reduziert sich die Lebens dauer der Elektrolytkondensatoren drastisch.It is known for adjusting the speed of an electromo tors via a pulse width modulated control of electronic switches the supply voltage of the Switch the motor on and off periodically. The speed the motor depends on the length of the off sampling intervals. The clock frequency for the be controls usually knew about 20 kHz. To the end filter the resulting interference voltages become large Capacities needed. For economic reasons who mostly used electrolytic capacitors because other types of capacitors on the one hand too big and on the other hand would be too expensive. Electrolytic capacitors ha However, they have a high series resistance, which at large Ripple flows to large power losses and up heating the capacitor. In connection with high Ambient temperatures, such as. B. when used in Motor vehicles occur, life is reduced duration of the electrolytic capacitors drastically.

Es besteht daher der Bedarf nach einer Steuerung für die Drehzahl eines Elektromotors, die mit so kleinen Kapazitäten auskommt, die wirtschaftlich durch Folien kondensatoren gebildet werden können. Die Aufgabe eine entsprechende Ansteuerung anzugeben, wird durch den An spruch 1 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Er findung erfolgt gemäß den Merkmalen der Unteransprüche.There is therefore a need for control for the speed of an electric motor, with such small ones Capacities that make economic use of foils capacitors can be formed. The task one The An spell 1 solved. The advantageous embodiment of the Er Finding takes place according to the features of the subclaims.

Da die elektronische Steuerung mit einem pulsweitenmo dulierten Signal einer Frequenz von ca. 100 kHz arbei tet, ist es möglich kleinere Kapazitäten für die Fil terstufen zu verwenden. Das wiederum läßt den Einsatz von Folienkondensatoren zu, die einen wesentlich klei neren Serienwiderstand als die Elektrolytkondensatoren aufweisen. Ihre Verlustleistung ist auch bei hohen Rip pleströmen klein. Sie erwärmen sich weniger und sind daher auch für den Einsatz bei hohen Umgebungstempera turen geeignet, ohne daß ihre Lebensdauer darunter lei det.Since the electronic control with a pulse width mo dulated signal with a frequency of approx. 100 kHz tet, it is possible to have smaller capacities for the fil to use levels. That in turn leaves the stake of film capacitors, which are much smaller series resistance than the electrolytic capacitors exhibit. Your power loss is high even at rip Plush flow small. They heat up less and are therefore also for use at high ambient temperatures Suitable structures without reducing their lifespan det.

Die Filterstufe ist auf der Eingangsseite als π-Filter ausgebildet. Zwischen Halbleiterschalter und der Quelle für die Versorgungsspannung ist eine Induktivität in Reihe im Längszweig geschaltet. Beide Enden der Induk tivität werden über jeweils eine Kapazität mit dem Mas sepotential verbunden. Die beiden Kapazitäten bilden einen ersten und einen zweiten Querzweig.The filter stage is on the input side as a π filter educated. Between the semiconductor switch and the source for the supply voltage is an inductance in Series switched in the longitudinal branch. Both ends of the induc activities are measured with a capacity with the mas sepotential connected. Form the two capacities a first and a second transverse branch.

Zur weiteren Reduzierung der Störabstrahlung kann auf der Ausgangsseite eine zweite, ebenfalls in Reihe ge schaltete Induktivität als Ausgangsfilter eingesetzt werden. Bedarfsweise kann ein weiterer Kondensator zwi schen dem Ausgang der zweiten Induktivität und dem Mas sepotential angeordnet sein. Die Induktivität bildet zusammen mit dem weiteren Kondensator ein Tiefpaßfil ter, um die Abstrahlung von Störungen auf der Zuleitung zum Elektromotor zu verringern.To further reduce the interference radiation can the output side a second, also in series switched inductance used as an output filter will. If necessary, another capacitor between between the output of the second inductance and the mas be arranged sepotential. The inductance forms together with the further capacitor a low pass fil ter to the emission of interference on the supply line to reduce the electric motor.

Kurze Beschreibung der Figur: Brief description of the figure:

Fig. 1 zeigt den Halbleiterschalter der elektronischen Steuerung mit eingangs- und ausgangsseitigen Filterstu fen. Fig. 1 shows the semiconductor switch of the electronic control with input and output filter stages.

Die elektronische Steuerung für die Drehzahl eines Elektromotors besteht aus einer üblichen Schaltung zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Steuersignals für einen Halbleiterschalter. Dieser Teil der Schaltung ist in der Figur durch das Blocksymbol A dargestellt. Das Steuersignal wird dem Halbleiterschalter 1 an seiner Steuerelektrode - dem Basisanschluß bei Bipolartransi storen oder dem Gateanschluß bei Feldeffekttransistoren - zugeführt. Um die Kapazitäten 4, 5, 8 der Filterstu fen als Folienkondensatoren ausführen zu können, be trägt die Frequenz des pulsweitenmodulierten Steuersi gnals nicht wie allgemein bei Drehzahlsteuerungen üb lich ca. 20 kHz, sondern liegt bei ca. 100 kHz. Durch die höhere Frequenz sind die Kapazitäten der Filterstu fen kleiner dimensioniert und können von Folienkonden satoren gebildet werden. Am Schaltungseingang liegt zwischen der Quelle der Versorgungsspannung 2 und dem Halbleiterschalter 1 ein sogenanntes π-Filter. Es be steht aus einer Induktivität 3 im Längszweig und aus Kapazitäten 4, 5 in den beiden Quellzweigen. Die Kapa zitäten 4, 5 sind jeweils an einem Ende der Induktivi tät 3 angeordnet und verbinden diesen kapazitiv mit dem Massepotential. Durch diese Maßnahme wird ein sehr gu ter Glättungsfaktor erreicht. Bei gleicher Filterwir kung können die Kapazitäten sehr viel kleiner ausfallen als bei herkömmlichen Drehzahlsteuerungen.The electronic control for the speed of an electric motor consists of a conventional circuit for generating a pulse-width-modulated control signal for a semiconductor switch. This part of the circuit is represented in the figure by the block symbol A. The control signal is the semiconductor switch 1 at its control electrode - the base connection for bipolar transistors or the gate connection for field effect transistors - supplied. In order to be able to execute the capacitances 4 , 5 , 8 of the filter stages as film capacitors, the frequency of the pulse-width-modulated control signal is not, as is generally the case with speed controls, approximately 20 kHz, but is approximately 100 kHz. Due to the higher frequency, the capacities of the filter stages are smaller and can be formed by foil capacitors. A so-called π filter is located at the circuit input between the source of the supply voltage 2 and the semiconductor switch 1 . It consists of an inductor 3 in the longitudinal branch and capacitors 4 , 5 in the two source branches. The capacities 4 , 5 are each arranged at one end of the inductance 3 and connect this capacitively to the ground potential. This measure achieves a very good smoothing factor. With the same filter effect, the capacities can be much smaller than with conventional speed controls.

Um die Abstrahlung auf der Zuleitung zum Gleichstrommo tor zu verringern, kann auf der Ausgangsseite der Schaltung entweder eine weitere Induktivität 7 in Reihe oder zusammen mit einer weiteren Kapazität 8 zum Masse potential als Tiefpaßfilter eingesetzt werden. Dies ist besonders wichtig bei langen Zuleitungen.In order to reduce the radiation on the supply line to the direct current motor, either a further inductor 7 in series or together with a further capacitance 8 to ground potential can be used as a low-pass filter on the output side of the circuit. This is particularly important with long supply lines.

Insgesamt wird eine Verbesserung des Wirkungsgrades und damit eine Reduzierung der Verlustleistung bei der Drehzahlverstellung von Elektromotoren erreicht, ohne Elektrolytkondensatoren als Filterbausteine einzuset zen. Durch die Folienkondensatoren als Filterelemente wird eine sehr hohe Zuverlässigkeit der Schaltung auch bei hohen Umgebungstemperaturen und eine erhöhte Le bensdauer der Schaltung erreicht. Mit der Schaltung kann die Drehzahl eines Elektromotors bis zu einer Lei stung von ca. 600 W am Bordnetz eines Kraftfahrzeuges stufenlos von 0 bis 100% eingestellt werden. Im Fil terkreis finden handelsübliche Folienkondensatoren Ver wendung. Im Bordnetz wird trotz getakteter Betriebswei se nur "Gleichstrom" entnommen.Overall, there will be an improvement in efficiency and thus a reduction in the power loss at the Speed adjustment of electric motors achieved without Electrolytic capacitors used as filter modules Zen. Through the film capacitors as filter elements will have a very high reliability of the circuit too at high ambient temperatures and an increased Le circuit life reached. With the circuit can the speed of an electric motor up to a lei 600 W on the electrical system of a motor vehicle continuously adjustable from 0 to 100%. In the fil terkreis find commercially available film capacitors Ver turn. Despite the clocked operating mode, se only taken from "direct current".

Claims

1. Electronic control for the speed of a DC electric motor, an electronic switch ( 1 ) periodically switching the supply voltage ( 2 ) of the DC motor on and off via a pulse-width modulated control, with capacitances ( 4 , 5 , 8 ) having filter stages for reducing Interference voltages, characterized in that the frequency of the pulse width modulated control is 100 kHz.

2. Electronic control according to claim 1, characterized ge indicates that the capacities of the filter stages of Film capacitors are formed.

3. Electronic control according to claim 1 or 2, characterized in that the electronic switch ( 1 ) is formed by a field effect transistor.

4. Electronic control according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the electronic switch ( 1 ) and the source of the supply voltage ( 2 ), a π filter consisting of an inductor ( 3 ) and two capacitors ( 4 , 5th ) is arranged.

5. Electronic control according to claim 4, characterized in that the inductor ( 3 ) is arranged in series between the supply voltage and electronic switch.

6. Electronic control according to claim 5, characterized in that the capacitances ( 4 , 5 ) of the π filter each connect one end of the inductor ( 3 ) to the ground potential.

7. Electronic control according to one of claims 1 to 6, characterized in that a free-wheeling diode ( 6 ) is provided which connects the output of the electronic switch to the ground potential.

8. Electronic control according to one of claims 1 to 7, characterized in that a further inductor ( 7 ) is arranged between the output of the electronic switch ( 1 ) and the DC motor.

9. Electronic control according to claim 8, characterized in that the output of the further inductor ( 7 ) is connected to the ground potential by means of a further capacitor ( 8 ).