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Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung mit Überlastschutz für einen elektronisch kommutierten Elektromotor, wobei jeder Statorwicklung des Elektromotors ein Endstufentransistor vorgeschaltet ist, wobei die Endstufentransistoren über eine Steuereinheit in Abhängigkeit von Signalen eines Stellungssensors wechselweise so angesteuert werden, dass sie entweder voll oder teilweise durchschalten, wobei der jeweils angesteuerte Endstufentransistor zusätzlich über die Steuereinheit in Abhängigkeit eines zeit-, strom-, spannungs- oder drehzahlabhängigen Signals eines Steuergliedes derart angesteuert ist, dass der jeweilige Endstufentransistor im Normalbetrieb voll durchschaltet.
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Derartige Ansteuerschaltungen sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben.
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So wird in der
DE 44 11 960 C2 ein elektronisch kommutierter Motor offenbart, dessen Ansteuerschaltung u. a. aus zwei Schalttransistoren besteht, welche durch einen magnetischen Lagesensor die Statorwicklungen des Elektromotors je nach Läuferstellung zu- und abschalten. Mittels eines Temperatursensors wird dabei die Temperatur der Ständerwicklungen ständig überwacht, so dass bei Überschreiten einer Grenztemperatur in den Wicklungen der Sensor aktiv wird und die Betriebsspannung an den Schalttransistoren abschaltet. Hierdurch wird der Motor gegen Überlastung geschützt. Nachteilig an einer derartigen Ausführung sind jedoch der zusätzliche Bauelementeaufwand sowie die schwierige Positionierung des Sensors.
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Des Weiteren ist aus der
DE 40 21 663 A1 eine Ansteuerschaltung mit Blockierschutzeinrichtung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor bekannt. Hierbei ist jeder Statorwicklung des Motors ein Leistungstransistor vorgeschaltet, der zur Kommutierung des Motorstroms in Abhängigkeit eines Stellungssensors über eine Steuereinheit angesteuert wird, wobei eine den Motorstrom bei Überlastung beziehungsweise Blockierung unterbrechende Blockierschutzeinrichtung vorgesehen ist. Diese weist mindestens ein den Motorstrom führendes Halbleiterschaltelement auf, welches in Abhängigkeit von seiner Temperatur durchgeschaltet oder gesperrt wird. Zusätzlich existiert hier eine Strombegrenzungsschaltung, die den Motorstrom bei Erreichen eines bestimmten höchstzulässigen Strommaximalwertes abschaltet und unterhalb des Maximalwertes wieder einschaltet. Auch bei dieser bekannten Einrichtung sind zusätzliche Bauelemente notwendig. Im Fall des Blockierens wird durch das ständige Takten bei hohem Strom der Transistor stark erwärmt, wodurch die Temperaturschutzabschaltung anspricht. Die Wicklung muss jedoch auch diesen erhöhten Strom tragen, so dass es zu einer starken Erwärmung und gegebenenfalls zu einer thermischen Zerstörung der Wicklung im Blockierfall kommt.
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Zusätzlich ist aus der
DE 35 37 403 C2 ein kollektorloser Gleichstrommotor bekannt, bei dem jeder Statorwicklung ein Leistungstransistor vorgeschaltet ist. Die Leistungstransistoren arbeiten zur Steuerung der Ströme über einen Teil des Regelungsbereiches als Schalter und über einen anderen Teil als analoge Verstärkerelemente, werden also über eine Steuereinheit in Abhängigkeit von Signalen eines Stellungssensors wechselweise so angesteuert werden, dass sie entweder voll oder teilweise durchschalten. Hierdurch sollen akustische und elektromagnetische Störungen verringert werden. Ein Überlastschutz erfolgt über eine zusätzliche temperaturunabhängige Sicherungsschaltspannung.
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Auch ist aus der gattungsbildenden
DE 43 01 515 A1 ein elektronisch kommutierter Motor bekannt, bei dem jeder Statorwicklung ein Endstufentransistor vorgeschaltet ist, die in Abhängigkeit von Signalen eines Stellungssensors derart wechselweise angesteuert werden, dass beim Starten des Elektromotors die Transistoren nur teilweise durchgeschaltet werden und nach dem Anlaufen voll durchgeschaltet werden.
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Des Weiteren werden in neuerer Zeit Ansteuerschaltungen mit intelligenten Transistoren verwendet, welche eine interne umfangreiche Schutzbeschaltung zum Schutz des Bauelementes selbst also zum Übertemperaturschutz und Überspannungsschutz aufweisen. Diese Schutzbeschaltungen schützen zwar das Bauelement jedoch nicht andere Komponenten des Elektromotors, so dass es im Fall des Blockierens des Läufers zur thermischen Zerstörung der Motorwicklung kommen kann.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung eine Ansteuerschaltung bereit zu stellen, welche mit einem minimalen zusätzlichen Bauteileaufwand einen zuverlässigen Schutz gegen Überlastung sowohl der Motorwicklung als auch des Transistors gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der jeweils angesteuerte Endstufentransistor außerhalb des Normalbetriebs beim Blockieren des Elektromotors, nur teilweise durchschaltet, wobei der Endstufentransistor einen integrierten Temperaturschutz aufweist, so dass bei Überschreiten einer Grenztemperatur der Transistor vollständig sperrt. Dabei wird das teilweise Durchschalten üblicherweise als analoger Betrieb des Leistungstransistors und das volle Durchschalten als digitaler Betrieb des Leistungstransistors bezeichnet. Im Normalbetrieb ergibt sich somit eine digitale Ansteuerung der Endstufentransistoren, wodurch diese lediglich eine geringe Verlustleistung zu tragen haben. Außerhalb des Normalbetriebes, beispielsweise bei Blockieren des Motors, werden die Endstufentransistoren analog angesteuert, so dass eine erhöhte Verlustleistung in den Leistungstransistoren sowie eine nicht steigende Verlustleistung in der jeweiligen Motorwicklung die Folge ist. Dieses Verschieben der Verlustleistung von den Statorwicklungen auf die Transistoren verhindert eine thermische Überlastung der Motorwicklungen. Der Endstufentransistor wird durch den integrierten Temperaturschutz vor Überlastung geschützt, so dass durch diesen Temperaturschutz des Transistors sowohl eine Überlastung des Transistors selbst als auch der Motorwicklung verwirklicht wird.
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Vorzugsweise ist dieses Schalten des Endstufentransistors über eine Spannungsregelung des Drain-Potentials durch eine Rückkopplung auf den Gate-Anschluss verwirklicht.
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Zur Spannungsregelung ist vorzugsweise der Drain-Anschluss des Endstufentransistors zumindest indirekt mit seinem Gate-Anschluss elektrisch verbunden. Durch diese Verbindung erfolgt eine automatische Rückkopplung zum Gate, wodurch der Transistor nicht mehr voll durchgesteuert wird, also in den analogen Betriebszustand übergeht, wodurch eine gute Temperaturunabhängigkeit erreicht wird. Dies bedeutet des weiteren, dass der Spannungsabfall über den Transistor steigt, während der Stromfluss und die Verlustleistung in der Wicklung reduziert wird.
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Vorzugsweise ist der Drain-Anschluss jedes Endstufentransistors über einen Widerstand mit seinem Gate-Anschluss elektrisch verbunden, wodurch die Spannung zum Schalten in den analogen bzw. digitalen Bereich festgelegt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Signal zum vollen oder teilweisen Durchschalten des Endstufentransistors zeitabhängig und das Zeitglied ist aus einer Reihenschaltung aus Widerstand und Kondensator gebildet. Bei einer derartigen Ausführung werden zur Lösung der Aufgabe nur extrem wenige Bauteile benötigt.
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Mit einer derartigen Ansteuerschaltung wird es also möglich, ohne zusätzlichen höheren Bauteileaufwand einen Temperaturschutz für den Endstufentransistor und gleichzeitig für die Motorwicklung bei reduzierter Drehzahl des Motors beispielsweise durch Blockieren, sicherzustellen.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
- 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung in schematischer Darstellung.
- 2 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung gemäß 1 mit einem Zeitglied für einen zweisträngigen Motor.
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Im Blockschaltbild gemäß 1 ist eine Ansteuerschaltung für einen zweisträngig elektronisch kommutierten Gleichstrommotor dargestellt, dessen Stator die Wicklungen L1, L2 trägt. Die jeweiligen Stellungen des Rotors zum Stator des Elektromotors werden durch einen Stellungssensor 1, der beispielsweise ein Hallsensor sein kann, an eine der Steuereinheiten 2, 3 übermittelt, so dass der Elektromotor beziehungsweise eine der Wicklungen L1, L2 je nach Rotorstellung beziehungsweise Signal des Hall-Sensors 1 angesteuert werden können, wobei die zweite Steuereinheit 3 ihr Signal über einen Inverter 4 erhält. Die Ansteuerung der Statorwicklungen L1, L2 erfolgt von den Steuereinheiten 2, 3 über Endstufentransistoren T1, T2, deren Drain-Anschlüsse D jeweils mit den Wicklungen in elektrischer Verbindung stehen. Zusätzlich zu den Signalen des Stellungssensors 1 werden die Steuereinheiten 2, 3 mit einem zeit-, strom-, spannungs- oder drehzahlabhängigen Signal eines Steuergliedes 5 beaufschlagt. Diese beiden Signale der Bauteile 1, 5 werden somit in den Steuereinheiten 2, 3 zur Ansteuerung der Endstufentransistoren T1, T2 verarbeitet.
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Die Funktionsweise ist so, dass der Stellungssensor 1 die Stellung des Rotors des Elektromotors erfasst. Das hieraus entstehende digitale Signal wird an die erste Steuereinheit 2 und über den Inverter 4 das negierte digitale Signal an die zweite Steuereinheit 3 übertragen, wobei beide Steuereinheiten 2, 3 identisch aufgebaut sind. In Abhängigkeit von den Signalen der Bauteile 1, 5 steuern die Steuereinheiten 2, 3 die Endstufentransistoren T1, T2 entweder digital oder analog an. Dies bedeutet, dass die Transistoren T1, T2 entweder voll durchschalten, was dem digitalen Bereich entspricht oder nur teilweise durchschalten was dem analogen Bereich entspricht. Im Normalbetrieb des Elektromotors ergibt sich eine digitale wechselnde Ansteuerung der Endstufentransistoren T1, T2. Bei dieser Betriebsart weisen sie nur eine geringe Verlustleistung auf. Außerhalb des Normalbetriebes werden die Transistoren T1, T2 aufgrund einer Änderung des Signals des Bauteils 5 analog angesteuert, so dass eine erhöhte Verlustleistung in den Endstufentransistoren T1, T2 die Folge ist. Dies wird dadurch erreicht, dass elektrische Verbindungen 6, 7 zwischen den Drain-Potentialen D der Transistoren T1 und T2 und den Steuereinheiten 2, 3 vorliegen. Auf diese Weise wird die Verlustleistung aus den Statorwicklungen L1, L2 in den Bereich der Endstufentransistoren T1, T2 durch eine Spannungsregelung des Gate-Potentials verschoben.
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Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltung ist in 2 dargestellt. Bei dem Stellungssensor 1 handelt es sich um einen Hallsensor zur magnetischen Lageerkennung des Rotors. Je nach Stellung des Rotors schaltet dieser Hallsensor 1 die Transistoren Q1 oder über den als Inverter 4 dienenden Transistor Q2 den Transistor Q3 wechselseitig ein oder aus. Dies führt zum Durchschalten des Endstufentransistors T1 bei abgeschaltetem Transistor Q1 und zum Durchschalten des Endstufentransistors T2 bei abgeschaltetem Transistor Q3, wobei es sich bei den Endstufentransistoren T1, T2 um intelligente Transistoren mit interner Schutzbeschaltung gegen thermische Überlastung handelt.
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Die Steuerschaltungen 2, 3 aus 1 werden insbesondere durch die Transistoren Q1 und Q3 mit den vorgeschalteten Basiswiderständen R1 und R2 gebildet. Das Steuerglied 5 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch zwei RC Glieder also Reihenschaltungen aus jeweils einem Kondensator C1, C2 und einem Widerstand R3, R4 gebildet, welche jeweils zwischen dem Drain-Anschluss D des ersten Endstufentransistors T1, T2 und dem Gate-Anschluss G des jeweils anderen Transistors T2, T1 angeordnet sind.
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Im Normalbetrieb ist aufgrund des anliegenden Signales des Hall-Sensors 1 beispielsweise der Transistor Q1 gesperrt und der Transistor Q3 durchgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt lädt sich der Kondensator C1 über den Widerstand R3, so dass am Gate des Transistors T1 eine ausreichende Spannung anliegt, dass der Transistor T1 voll durchschaltet, wodurch durch die Wicklung L1 ein Strom fließt und der Kondensator C2 entladen wird. Bei Änderung des Hall-Signals wird nun der Transistor Q3 gesperrt und der Transistor Q1 durchgeschaltet. Somit sperrt der Endstufentransistor T1. Durch den resultierenden Spannungsanstieg wird der Kondensator C2, der bisher entladen wurde über den Widerstand R4 wieder aufgeladen. Hierdurch liegt am Gate G des Endstufentransistors T2 wiederum eine ausreichende Spannung an um voll durchzuschalten, also in den digitalen Betriebszustand zu schalten, so dass durch die Wicklung L2 Strom fließt. Diese Vorgänge wiederholen sich im Normalbetrieb. Nahezu die gesamte Verlustleistung wird dabei in den Statorwicklungen L1, L2 umgesetzt.
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Außerhalb des Normalbetriebes also bei Blockieren des Rotors oder auch beim Starten des Motors hat entweder noch keine Aufladung des jeweiligen Kondensators C1, C2 stattgefunden oder der Kondensator C1, C2 wird vollständig aufgeladen, bevor das Signal zum Umschalten vom Hall-Sensor erfolgt. Hierdurch ist oder wird die anliegende Gatespannung nicht ausreichend hoch, um den Transistor T1, T2 voll durchzuschalten. Durch die elektrische Verbindung 6, 7 mit eingebauten Widerständen R5, R6 erfolgt eine Rückkopplung zwischen dem Drain- D und dem Gate-Anschluss G des Endstufentransistors T1, T2, dessen vorgeschalteter Transistor Q1, Q3 sperrt, so dass am Gate-Anschluss G eine Spannung anliegt, die ausreicht den Transistor T1, T2 teilweise durchzuschalten, also im analogen Betrieb zu fahren. Beim Hochlaufen des Motors beginnt durch dieses teilweise Durchschalten der Rotor sich langsam zu drehen, wodurch wiederum ein Schalten der Transistoren Q1, Q3 nach kurzer Zeit entsteht und die Transistoren in kurzer Zeit den digitalen Bereich erreichen.
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Im Falle eines Blockierens des Rotors wird die Zeitspanne bis zur vollständigen Entladung des Kondensators C1, C2 überschritten. Die Länge dieser Zeitspanne ist von der geeigneten Dimensionierung der Kondensatoren C1, C2 und der Widerstände R3, R4 abhängig. Der Transistor T1 wird somit immer nur über eine definierte Zeitspanne voll durchgesteuert. Wird nun eine festgelegte definierte Drehzahl unterschritten, verlängert sich die Periode in der der Endstufentransistor T1, T2 eingeschaltet sein muss. Der Kondensator C1 lädt sich also vollständig, so dass der Spannungspegel am Eingang des angesteuerten Transistors T1, T2 sinkt. Durch die Verbindungen 6, 7 über die Widerstände R5, R6 wird jedoch auch hier der Gate-Anschluss G des Endstufentransistors T1, T2 vom eigenen Drain-Anschluss D rückgekoppelt, so dass eine Spannung am Gate G vorhanden bleibt, die jedoch nicht hoch genug ist, um den jeweiligen Transistor T1, T2 voll durchzusteuern. Stattdessen regelt sich dieser selber in den analogen Bereich, wobei die Drainspannung über die Widerstände R5/R6 und die Widerstände R11/R12 einstellbar ist. Dadurch steigt jedoch der Spannungsabfall über den Endstufentransistor T1 oder T2, so dass wiederum der Stromfluss und somit auch die Verlustleistung in der Statorwicklung L1 oder L2 sinkt, während die Verlustleistung im Endstufentransistor T1 oder T2 ansteigt. Durch diese höhere Verlustleistung wird der Transistor T1 oder T2 erwärmt, so dass er bei Erreichen einer definierten Grenztemperatur durch die interne Temperaturschutzschaltung deaktiviert wird und sperrt und erst nach ausreichender Abkühlung wieder zuschaltet.
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Je nach Betriebszustand des Elektromotors werden somit die Verluste von der Statorwicklung L1, L2 in den Endstufentransistor T1, T2 verlagert. Anstatt die Zuschaltung der Transistoren über das zeitbestimmende RC-Glied erfolgen zu lassen, wäre es selbstverständlich auch möglich die Transistoren durch Auswertung der elektromotorischen Kraft, des Motorstroms oder einer Auswertung der Drehzahlimpulse zu schalten.
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Die Transistoren Q4 und Q5 beziehungsweise die Widerstände R7 und R8 sowie die Diode D1 dienen dem Schutz gegen zu hohe Betriebsspannungen und können gegebenenfalls entfallen. Auf eine ausführliche Beschreibung dieser Bauteile, wie auch der weiteren nicht bezeichneten Bauteile wird an dieser Stelle verzichtet, da sie nicht erfindungswesentlich sind und ihre Funktion dem Fachmann bekannt ist. Gleiches gilt für den Transistor T3, die Diode D2 sowie die Widerstände R9 und R10, welche dem Schutz gegen Verpolung dienen und welche ebenfalls entfallen können, wenn kein Verpolschutz erforderlich ist.
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Es wird deutlich, dass mittels dieser einfachen Rückkopplung zwischen Drain- und Gate-Anschluss des Transistors auf zuverlässige Weise eine thermische Überlastung der Statorwicklungen verhindert wird, ohne weitere kostenintensive Bauteile nutzen zu müssen. Des Weiteren sollte deutlich sein, dass die Erfindung nicht auf die vorliegende Ausführungsform insbesondere auf die zeitgesteuerte Zuschaltung der Transistoren beschränkt ist. Selbstverständlich ist diese Art der Ansteuerschaltung auch auf einen mehrsträngigen Motor einfach für den Fachmann übertragbar.
