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DE4444810A1 - Steuerschaltung für einen Gebläseantriebsmotor - Google Patents

Steuerschaltung für einen Gebläseantriebsmotor

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DE4444810A1
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Erwin Burner
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Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
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J Eberspaecher GmbH and Co KG
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Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Gebläse- oder Pumpenantriebsmotor.
Speziell betrifft die Erfindung eine Steuerschaltung für einen Gebläse- oder Pumpenantriebsmotor einer Fahrzeugheizung oder eines Brenners zum Regenerieren eines Partikelfilters für Dieselmotoren.
Brenner zum Regenerieren von Partikelfiltern für Dieselmotor-Abgas­ anlagen besitzen ebenso wie auch häufig als "Standheizungen" bezeich­ nete (Zusatz-)Fahrzeugheizungen einen Antriebsmotor, der ein Verbren­ nungsluftgebläse und gegebenenfalls noch ein Heizluftgebläse antreibt. Bei Fahrzeugheizgeräten mit Wasser als Wärmeträger ist ebenfalls ein Verbrennungsluftgebläse vorhanden, jedoch dient als Mittel zum Umwäl­ zen des Wärmeträgers kein Heizluftgebläse, sondern eine Wasserpumpe.
Bei den oben erwähnten Gebläsen sorgt ein Elektromotor ebenso für den Gebläseantrieb wie ein Elektromotor bei einer Pumpe für deren Antrieb sorgt.
Sowohl die hier in Rede stehenden Fahrzeugheizungen als auch die Vorrichtungen zum Regenerieren vom Partikelfiltern für Dieselmotoren verwenden als Betriebsspannungsquelle die Bordbatterie. Die üblichen Spannungen dieser Batterien betragen z. B. 12 oder 24 Volt, wobei diese Spannungen jedoch erheblichen Schwankungen unterworfen sind.
Will man z. B. ein Fahrzeugheizgerät mit einer konstanten Ausgangs­ leistung betreiben, so ist hierzu eine in relativ engen Grenzen konstante Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses (auch des Heizluftgebläses, des Motors für die Wasserpumpe, der Brennstoffpumpe) erforderlich. Sinkt die Nenn-Spannung der Bordbatterie von bspw. 24 V auf 22 V oder noch weiter ab, so dreht sich der Gebläsemotor entsprechend langsamer, so daß das Fahrzeugheizgerät nicht die gewünschte Leistung liefert und deutlich ungünstigere Abgaswerte entstehen.
Man kann nun daran denken, eine Drehzahlregelung für den Elektromo­ tor vorzusehen, die dafür sorgt, daß unabhängig von Spannungsschwan­ kungen der Versorgungsspannung stets die gewünschte Soll-Drehzahl des Motors und mithin des damit gekoppelten Gebläses erreicht wird.
Soll allerdings das gesamte Gerät einen bestimmten Preis nicht über­ steigen, so verbietet sich möglicherweise eine Regelung unter anderem deshalb, weil das Messen der Motorspannung und der Drehzahl (z. B. mittels Tachogenerator) direkt am Motor und die erforderliche Regel­ einrichtung mit einigem Aufwand verbunden sind.
Durch die vorliegende Erfindung soll eine Steuerschaltung für einen Gebläse- oder Pumpenantriebsmotor, der zwischen die Pole einer Gleichspannungsquelle gelegt ist, angegeben werden, die sich relativ billig realisieren läßt und dennoch eine in Grenzen gute Übereinstim­ mung der Motordrehzahl mit der gewünschten oder Soll-Drehzahl er­ reicht.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebe­ ne Steuerschaltung für einen Gebläse- oder Pumpenantriebsmotor, der zwischen die Pole einer Gleichspannungsquelle gelegt ist, wobei im Stromkreis des Motors ein mit einem PWM-Signal (Pulsbreitenmodu­ lation-Signal) angesteuerter Halbleiterschalter liegt, indem von einem Spannungsfühler Gebrauch gemacht wird, der ein für die Gleichspan­ nung der Gleichspannungsquelle repräsentatives Meßsignal an eine Steuerung gibt, die aus dem Meßsignal ein kompensiertes Signal macht, welches zur Bildung des PWM-Signals herangezogen wird.
Der im Stromkreis des Motors liegende Halbleiterschalter, bei dem es sich z. B. um einen MOSFET handelt, wird von dem PWM-Signal mit einer Frequenz im Kilohertzbereich angesteuert. Dabei verhält sich der Motor so, als würde er mit einer Gleichspannung gespeist, die sich aus dem Tastverhältnis der Impulse des PWM-Signals errechnen läßt. Das das Verhältnis von Impulslänge zu Impulspause (alternativ: Impulslänge zu Impulsperiodendauer) angebende Tastverhältnis muß zur Erzielung einer bestimmten Soll-Drehzahl umso größer sein, desto geringer die Spannung der Gleichspannungsquelle ist.
Wenn die Gleichspannungsquelle die Nenn-Spannung liefert, gibt die Steuerung ein PWM-Signal aus, welches von einem einstellbaren Soll- Drehzahlwert abhängen kann und dafür sorgt, daß der Motor mit der gewünschten Drehzahl dreht. Wenn nun das Potential der Gleichspan­ nungsquelle schwankt, bspw. um einige Volt abfällt, wird eine solche Änderung der Versorgungsspannung von dem Spannungsfühler erfaßt. Die Steuerung bildet nun aus diesem Meßsignal ein kompensiertes Meß­ signal, welches dann zur Bildung des PWM-Signals herangezogen wird. Bei Abfall der Versorgungsspannung bedeutet dies, daß das kompensier­ te Meßsignal zur Folge hat, daß das Tastverhältnis des PWM-Signals heraufgesetzt wird, so daß im Endeffekt der Motor sich so verhält, als ob sich die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle nicht geändert hätte. Durch das Variieren des Tastverhältnisses erhält der Motor also stets eine "effektive" Gleichspannung, die unabhängig von der Spannung der Gleichspannungsquelle (der Spannung der Bordbatterie) ist.
Man kann den Motor mit konstanter Drehzahl betreiben, man kann die Motordrehzahl aber auch entsprechend bestimmter, vorgegebener Funktionen bspw. entsprechend einer Rampenfunktion, erhöhen oder erniedrigen. Bei all diesen Steuervorgängen wird eine Änderung der Spannung der Gleichspannungsquelle in der oben beschriebenen Weise berücksichtigt, indem aus dem durch den Spannungsfühler gebildeten Meßsignal ein kompensiertes Meßsignal gebildet wird, welches zur Erzeugung des PWM-Signals herangezogen wird.
Bei dem Spannungsfühler kann es sich um einen schlichten Spannungs­ teiler mit zwei Widerständen handeln. Wenn die Steuerung zudem als Mikrosteuerung (µC = Microcontroller) ausgebildet ist, die üblicher­ weise zur Steuerung von hier in Rede stehenden Fahrzeugheizgeräten verwendet wird, stellen nicht einmal die beiden Widerstände die einzigen zusätzlichen Bauelemente für die Steuerschaltung dar, da diese für ande­ re Zwecke bereits verwendet werden (bei Steuergeräten in Fahrzeug­ heizgeräten).
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Steuerung als µC ausgebildet ist, der einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) enthält, dessen Eingang das Meßsignal zugeführt wird, und dessen Ausgangssignal als Adreßsignal für einen Tabellenspeicher (ROM) benutzt wird, in dem für gewisse Ist-Spannungswerte zugehörige kompensierte Werte gespeichert sind, welche das kompensierte Signal bilden.
Der in den µC integrierte ADU setzt das für die Batteriespannung reprä­ sentative Analogsignal in einen Digitalwert um. Dieser Digitalwert bildet die Adresse eines in einem ROM enthaltenen Tabellenspeichers. Der Inhalt des Tabellenspeichers kann rechnerisch festgelegt werden, er kann aber auch - vorzugsweise - durch Versuche ermittelt werden, indem bspw. eine konstante Motordrehzahl vorgegeben wird, die zur Erzielung dieser konstanten Motordrehzahl erforderlichen PWM-Signale ermittelt werden und die Digitalwerte festgestellt werden, die zu solchen PWM- Signalen gehören. Dieser Vorgang wird für verschiedene Werte der Gleichspannungsquelle wiederholt, so daß für jeden dieser verschiedenen Werte ein bestimmter Tabellenspeicherwert erhalten wird. Wenn dann im tatsächlichen Betrieb der Spannungsfühler einen dieser genannten Werte ermittelt, so setzt der Tabellenspeicher diesen Wert um in ein kompensiertes Signal, mit der Folge, daß dieses kompensierte Signal wieder zu der gewünschten Drehzahl führt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung für einen Gebläsemotor einer Fahrzeugheizung, und
Fig. 2 eine Kennliniendarstellung, die die Abhängigkeit des Tastver­ hältnisses eines PWM-Signals von der Versorgungsspannung für eine großes und für eine kleine Drehzahl bei einem bestimmten Lastmoment veranschaulicht.
Wie oben bereits ausgeführt, geht es hier speziell um die Steuerung eines Gebläse- oder Pumpenantriebsmotors eines Fahrzeugheizgeräts. Die Erfindung ist aber gleichermaßen anwendbar bei Brennern zum Regenerieren von Partikelfiltern für Dieselmotoren.
Fig. 1 zeigt einen zwischen einer Gleichspannungsquelle UB und Masse liegenden Gleichstrommotor 2 mit dazu parallel geschalteter Freilauf­ diode 4, wobei in Reihe zu dem Motor 2 ein MOSFET 6 als schneller Halbleiterschalter geschaltet ist. Der Halbleiterschalter 6 arbeitet mit einer Frequenz im Bereich von mehr als 20 kHz. Wenn die Gleichspan­ nungsquelle eine Spannung von UB = 24 V liefert und das Tastverhältnis, hier das Verhältnis von Impulslänge zu Impulsperiodendauer, des den Halbleiterschalter 6 öffnenden und schließenden PWM-Signals 50 Prozent beträgt, so verhält sich der Motor 2 derart, als ob er mit einer Gleichspannung von etwa 12 V betrieben würde. Dabei sind nicht be­ rücksichtigt die durch einen gewissen Durchlaßwiderstand bedingte Spannung am Halbleiterschalter 6 und die Sperrspannung der Freilaufdiode 4. Tatsächlich lassen sich die Auswirkungen dieser Span­ nungen auf den Betrieb der Schaltung in gewissen Grenzen beseitigen, z. B. durch Wicklungsauslegung des Motors, mathematische Routine, Abgleichen Motor/Steuergerät, so daß für den Betrieb des Motors 2 lediglich die Höhe der Gleichspannung der Spannungsquelle UB maß­ geblich ist.
Über eine Meßleitung 6 ist die Spannungsquelle UB mit einem aus zwei Widerständen R1 und R2 gebildeten, als Spannungsfühler dienenden Spannungsteiler 8 verbunden. Am Verbindungsknoten 10 zwischen den beiden Widerständen R1 und R2 wird ein Meßsignal S abgegriffen, welches proportional zu der aktuellen Versorgungsspannung UB ist.
Das Meßsignal S wird auf den A/D-Eingang einer als Microcontroller (µC) ausgebildeten Steuerung 12 gegeben. Der µC ist in an sich bekann­ ter Weise ausgebildet. Er enthält einen Analog-Digital-Umsetzer mit dem erwähnten Eingang A/D. Somit wird das Meßsignal S in einen Digitalwert umgesetzt.
Der µC 12 enthält außerdem einen Festspeicher ROM 14, dessen Adreß­ eingang das von dem A/D-Eingang kommende Digitalsignal zugeführt wird. In dem ROM 14 sind in tabellarischer Form kompensierte Meß­ signale kS abgespeichert, die mit einem bestimmten hier nicht näher dargestellten Takt ausgegeben werden, wobei jedes kompensierte Signal kS von dem Meßsignal S abhängt. Das kompensierte Signal kS wird auf einen Eingang einer PWM-Schaltung 16 gegeben, die in an sich bekann­ ter Weise ein von dem Signal kS abhängiges PWM-Signal (pulsbreiten­ moduliertes Signal) an den Steuereingang des Halbleiterschalters 6 lie­ fert.
Das PWM-Signal hängt nicht nur von dem kompensierten Signal kS ab, sondern kann auch noch von einem weiteren Signal abhängen, welches über einen Eingang nsoll (Soll-Drehzahlwert) abhängt.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit des Tastverhältnisses tv von der Versor­ gungsspannung V, und zwar für einen Fall einer großen Drehzahl nG und den Fall eine relativ Meinen Drehzahl nK bei einem bestimmten Lastmoment. Stellvertretend sei nur die kleine Drehzahl nK des Motors 2 betrachtet. Bei einer Versorgungsspannung von 5 V beträgt das Tast­ verhältnis tv 100 Prozent. Definiert man das Tastverhältnis als das Ver­ hältnis von Impulslänge zu Impulspause, so hat Gleichstrom ein Tast­ verhältnis von unendlich. Definiert man das Tastverhältnis als das Ver­ hältnis von Impulslänge zur Impulsperiodendauer, so bedeutet ein Tast­ verhältnis von 1 oder 100 Prozent, daß praktisch keine Impulspausen vorhanden sind. Ein Tastverhältnis und 50 Prozent bedeutet, daß die Impulslänge genauso groß ist wie die dazugehörige Impulspause.
In Fig. 2 wird die Drehzahl nK bei einer Spannung von 5 V nur bei einem Tastverhältnis von 100 Prozent erreicht. Liegt die Versorgungs­ spannung bei 15 Volt so reicht ein Tastverhältnis von 30 Prozent aus.
Man kann die in Fig. 2 qualitativ dargestellten Kennlinien zur Bildung der Werte für den Tabellenspeicher in dem µC nach Fig. 1 verwenden. D.h.: Für eine Reihe möglicher Versorgungsspannungswerte wird eine zugehörige Menge von Tastverhältnis-Werten gespeichert, und diese Tastverhältnis-Werte bilden dann das kompensierte Signal kS.
Alternativ kann man den Tabellenspeicher aber auch mit empirisch ermittelten Werten füllen.
Wenn z. B. im Betrieb die Versorgungsspannung UB etwas absinkt, schlägt sich dies auf das Meßsignal S als Amplitudenverringerung nie­ der. Dementsprechend hat der dem Adreßeingang des ROM 14 zu­ geführte Digitalwert einen kleineren Wert. Unter der zu diesem kleine­ ren Wert gehörigen Adresse ist ein solches kompensiertes Signal kS gespeichert, welches zu einem PWM-Signal mit erhöhtem Tastverhältnis führt. Durch dieses erhöhte Tastverhältnis wird der Halbleiterschalter 6 bei jedem Impuls für eine etwas längere Zeitspanne geöffnet, so daß der Motor 2 effektiv eine höhere Spannung erhält. Der Wert des kompen­ sierten Signals kS ist derart voreingestellt, daß die Drehzahl des Motors 2 konstant gehalten wird.
Wie in Fig. 1 auch angedeutet ist, kann die PWM-Schaltung außer dem kompensierten Signal kS noch ein Soll-Drehzahlsignal erhalten. Hier­ durch läßt sich die Drehzahl des Motors 2 ändern.
Wie oben erwähnt, läßt sich das Tastverhältnis definieren als das Ver­ hältnis von Impulslänge zur Impulsperiodendauer. Dies entspricht auch folgender Beziehung:
tv = Ugl/Uakt,
mit tv = Tastverhältnis
Ugl = Nenn-Gleichrichtwert des Motors
Uakt = aktuell anliegende Versorgungsspannung.
Entspricht der Nenn-Gleichrichtwert des Motors der aktuell anliegenden Versorgungsspannung, so hat man ein Tastverhältnis von 1 oder 100%, was dem Fall der Gleichstromspeisung entspricht. Ein Tastverhältnis von 0,5 oder 50 Prozent entspricht einem Nenn-Gleichrichtwert des Motors, der halb so groß ist wie die aktuell anliegende Versorgungsspannung.
Hieraus wird deutlich, daß man das Tastverhältnis variieren kann, um bestimmte Drehzahlverläufe zu erhalten, bspw. Drehzahlrampen oder konstante Drehzahlen.
Außer konstanten Drehzahlen und (linearen) Rampen lassen sich auch nicht-lineare Drehzahlverläufe erreichen.
Betrachtet man die Schaltung nach Fig. 1, so läßt sich für die obige Formel für das Tastverhältnis tv folgende Beziehung herleiten:
tv = (UKL - UD) / (UBAT - IL · RDS - UD)
mit UKL = Klemmenspannung am Motor
UD = Sperrschichtspg. der Freilaufdiode
UBAT = Versorgungsspannung (gemessene Spannung)
IL = Laststrom im Arbeitspunkt
RDS= Widerstand des Halbleiterschalters im stromführenden Fall.
Der Durchlaßwiderstand des Halbleiterschalters hat den größten Einfluß auf die Drehzahlregelung. Man kann aber durch geeignete Wicklungs­ auslegung diesen Einfluß minimieren. Da die Streuung der übrigen Parameter weitestgehend bekannt ist, und weil die jeweilige Versor­ gungsspannung UBAT als gemessene Spannung zur Verfügung steht, läßt sich mit Hilfe mathematischer Formeln der Wert für tv berechnen. In diesem Fall kann auf einen Tabellenspeicher verzichtet werden, es müß­ ten statt dessen aber die genannten Parameterwerte berücksichtigt wer­ den.

Claims (5)

1. Steuerschaltung für einen Gebläse- oder Pumpenantriebsmotor (2), der zwischen die Pole einer Gleichspannungsquelle (UB) gelegt ist, wobei im Stromkreis des Motors (2) ein mit einem PWM-Signal angesteuerter Halbleiterschalter (6) liegt, umfassend einen Spannungsfühler (8, R1, R2), der ein für die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle repräsenta­ tives Meßsignal (S) an eine Steuerung (12) gibt, die aus dem Meßsignal ein kompensiertes Meßsignal (kS) macht, welches zur Bildung des PWM-Signals herangezogen wird.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsfühler durch einen Spannungsteiler (R1, R2) gebildet wird.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung einen Microcontroller (µC 12) aufweist, der einen Analog-Digital-Umsetzer enthält, dessen Eingang das Meßsignal zuge­ führt wird, und dessen Ausgangssignal als Adreßsignal für einen Ta­ bellenspeicher (ROM 14) benutzt wird, in dem für gewisse Ist-Span­ nungswerte zugehörige kompensierte Werte gespeichert sind, die das kompensierte Signal (kS) bilden.
4. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis des PWM-Signals gemäß folgender Formel be­ rechnet wird: tv = (UKL - UD)/(UBAT - IL · RDS - UD)mit UKL = Klemmenspannung am Motor
UD = Sperrschichtspg. der Freilaufdiode
UBAT = Versorgungsspannung (gemessene Spannung)
IL = Laststrom im Arbeitspunkt
RDS = Widerstand des Halbleiterschalters im stromführenden Fall.
5. Steuerschaltung nach Anspruch 4 für ein Fahrzeugheizgerät oder einen Brenner eines Partikelfilters für Dieselmotoren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Tastverhältnis (tv) eingestellt wird, um lineare oder nicht-lineare Rampenfunktionen für den Drehzahlverlauf einzustellen, welche derart gewählt sind, daß das Betriebsverhalten des Brenners, bspw. hinsichtlich der Abgaswerte, optimiert wird.
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