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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Gleichstrommotors
mit einer Steuerelektronik und mit einer von dieser angesteuerten
Leistungselektronik mit einer aus Halbleiterschaltern gebildeten
Brückenschaltung, deren Brückenquerzweig mit einem
Motorkontakt zur Kontaktierung mit einem Gegenkontakt des Gleichstrommotors
verbunden ist.
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In
einem Kraftfahrzeug werden häufig mit Elektromotoren in
Form von Gleichstrommotoren ausgerüstete Antriebsvorrichtungen
für Schließ- oder Versteileinrichtungen, wie beispielsweise
einem elektrischen Fensterheber, einer elektrischen Sitzverstellung
und einer elektrischen Tür- oder Klappenbetätigung
eingesetzt. Die häufig auch als Kommutatoromotoren bezeichneten
Gleichstrommotoren werden über eine Steuer- und Leistungselektronik
angetrieben. Die Leistungselektronik kann hierbei aus Relais, aus
Leistungshalbleitern (Halbleiterschalter) oder einer Kombination
hieraus aufgebaut sein. Eine Steuerungsvorrichtung einer einen Antriebsmotor
aufweisenden Verstelleinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit vier nach
Art einer Brückenschaltung aufgebauten Feldeffekt- oder
Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) als Leistungshalbleitern
ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 019 981 A1 bekannt.
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Aus
der
DE 10 2006
028 634 A1 ist es darüber hinaus bekannt, eine
derartige Steuer- und Leistungselektronik in einem ASIC (Application
Specific Integrated Circuit) zu integrieren und dieses ASIC zusammen
mit weiteren elektronischen Komponenten auf einer Leiterplatte anzuordnen
sowie mit Anschlusskontakten für eine Spannungsversorgung und
für ein Datenbussystems zu versehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete,
insbesondere raumsparende Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Hierzu ist vorgesehen, die aus den
Halbleiterschaltern gebildete Brückenschaltung in den mechanischen
Motorkontakt zu integrieren.
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Die
in den Motorkontakt integrierte Leistungselektronik umfasst geeigneterweise
vier Halbleiterschalter, beispielsweise in Form von Feldeffekttransistoren
oder MOSFET's, die in der auch als H-Brücke bezeichneten
Brückenschaltung mit vier gleichen Feldeffekttransistoren,
beispielsweise des n-Kanal-Typs ausgebildet ist. Alternativ kann
die Brückenschaltung auch aus zwei Feldeffekttransistoren des
n-Kanal-Typs und zwei Feldeffekttransistoren des p-Kanal-Typs aufgebaut
sein.
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Der
Motorkontakt ist beispielsweise als Stanzteil oder Stanzblech mit
einer Kunststoffummantelung als Kontaktgehäuse ausgeführt.
Der Motorkontakt weist zwei Kontaktelemente, beispielsweise zwei
als Klemmkontakte wirksame gabelförmige Kontaktelemente
auf. Die Gegenkontakte des Gleichstrommotors sind dann zungenartige
Flachkontakte, die beim Kontaktieren der Leistungselektronik an
den Gleichstrommotor mit den Kontaktelementen des Motorkontaktes
klemmkontaktiert werden. Auch können die Kontaktelemente
des Motorkontaktes als Flachkontakte oder Kontaktstifte und die
Motorgegenkontakte als Klemmelemente bzw. hülsenartige
Kontaktbuchsen ausgeführt sein.
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Kontaktintern
sind die Kontaktelemente des Motorkontaktes mit jeweils einem Mittenabgriff
jeweils eines Brückenzweiges der Brückenschaltung verbunden.
Der jeweilige Mittenabgriff befindet sich im Drain-Source-Pfad zwischen
zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschalter (Leistungstransistoren) des
jeweiligen Brückenzweiges. Der an die Motorkontakte angeschlossene
Gleichstrommotor liegt somit im zwischen den beiden Mittenabgriffen
gebildeten Brückenquerzweig.
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In
zweckmäßiger Ausgestaltung weist der Motorkontakt
zwei Versorgungsanschlüsse zur Verbindung mit einer Versorgungsspannung,
d. h. mit deren Pluspol und deren Minuspol (Masse oder Ground) auf.
Des Weiteren umfasst der Motorkontakt geeigneterweise eine Anzahl
von Steueranschlüssen, die kontaktintern mit den Steuereingängen
der Halbleiterschalter verbunden sind.
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Der
Motorkontakt weist in vorteilhafter Ausgestaltung zudem zwei sogenannte
Sense-Anschlüsse auf. Über diese Messanschlüsse
kann der Spannungspegel an den mit dem Gleichstrommotor verbundenen
Kontaktelementen des Motorkontaktes und damit die Spannung im Brückenquerzweig
(Brückenquerspannung) abgegriffen werden. Weiterhin ist
der Spannungsabfall über den jeweils leitenden Brückenzweig,
insbesondere zur Strombegrenzung, messbar.
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Die
Freilaufdioden (Schutz- oder Bulkdioden), mit denen die Halbleiterschalter
in Sperrpolung beschaltet sind, dienen zum Schutz vor einer Überspannung
beim Abschalten des Gleichstrommotors. Hierzu sind die Freilaufdioden
derart parallel zum angeschlossenen Gleichstrommotor geschaltet,
dass die Dioden von der Versorgungsspannung in Sperrichtung beaufschlagt
werden, d. h. dass diese kathodenseitig mit dem Pluspol-Versorgungsanschluss und
anodenseitig mit dem Minuspol- oder Masse-Versorgungsanschluss des
Motorkontaktes verbunden sind.
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Die
Steuerung der in den Motorkontakt integrierten Halbleiterschalter
der Leistungselektronik erfolgt vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors. Dieser
kann eingangsseitig mit externen Steuerbefehlen beaufschlagt werden.
Ausgangsseitig ist der Mikroprozessor geeigneterweise mit einem
Spannungsregler oder Gatetreiber verbunden, der seinerseits mit
den Halbleiterschaltern zu deren Ansteuerung verbunden ist. Über
ein pulsweitenmoduliertes Ansteuern (PWM) der Leistungselektronik
ist ein einstellen, insbesondere ein regeln der abgegebenen Motorleistung
und damit der Drehzahl möglich.
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Im
Falle einer Antriebsvorrichtung für ein Stellelement eines
Kraftfahrzeugs sind externe Steuerbefehle beispielsweise ein Ein-
oder Ausschaltbefehl zum Ein- bzw. Ausschalten des Gleichstrommotors
oder ein Drehrichtungsbefehl vorgesehen, um zur Umkehrung der Bewegungsrichtung
des Stellementes die Drehrichtung des Motors umzukehren. Da die
Brückenschaltung mit den kontaktinternen Leistungshalbleitern
mit dem Pluspol und dem Masseanschluss der Versorgungsspannung verbunden ist,
ist eine der beiden Brückendiagonalen der Brücken schaltung
stromleitend, wenn ein Halbleiterschalter des einen Brückenzweiges
und ein Halbleiterschalter des anderen Brückenzweiges leitend
oder durchgeschaltet sind. Werden dagegen diese beiden Halbleiterschalter
geschlossen und anstelle dessen die beiden Halbleiterschalter der
anderen Brückendiagonale geöffnet, so fließt
der Strom durch den Gleichstrommotor in entgegengesetzter Stromrichtung
mit der Folge, dass sich der Gleichstrommotor in entgegengesetzter
Drehrichtung und somit das angekoppelte Stellelement in Gegenrichtung
bewegt.
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Geeigneterweise
sind die Steuerelektronik und der Motorkontakt mit der integrierten
Leistungselektronik auf einer gemeinsamen Leiterplatte montiert.
Auf diese sind dann vorzugsweise auch der Mikroprozessor, der Gatetreibers
sowie zweckmäßigerweise ein (optionaler) Verpolschutz
und eine Anschlussleiste montiert. Die Anschlussleitung führt
insbesondere die Spannungsversorgung sowie eine Anzahl von Steuer-
und/oder Datenleitung, beispielsweise eines LIN-Bussystems Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einem
auf einer Leiterplatte montierten Motorkontakt mit integrierter
Leistungselektronik,
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2 schematisch
in einer Seitendarstellung den Motorkontakt mit vier integrierten
Halbleiterschaltern des n-Kanal-Typs in Brückenschaltung, und
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3 in
einer Darstellung gemäß 2 den Motorkontakt
mit zwei Halbleiterschaltern des n-Kanal-Typs und zwei Halbleiterschaltern
des p-Kanal-Typs.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
ein Schalt- oder Blockschaltbild einer nachfolgend auch als Elektronik
bezeichneten Schaltungsanordnung 1 mit einem Motorkontakt 2 zur
Kontaktierung eines nachfolgend als Gleichstrommotor bezeichneten
Elektro- oder Kommutatormotors 3 mit einer Elektronik,
die im Wesentlichen aus einer Steuerelektronik und einer Leistungselektronik
besteht. Diese Schaltungsanordnung 1 ist bevorzugt als
Elektronik eines Verstellantriebs in einem Kraftfahrzeug eingesetzt,
insbesondere in einem elektromotorischen Fensterheberantrieb, Sitzverstellsystem,
Schiebedach, Tür- oder Heckklappenantrieb.
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Der
Motorkontakt 2 ist auf einer Leiterplatte 4 montiert
und dort in nicht näher dargestellter Art und Weise mit
Leiterbahnen zur bestimmungsgemäßen Kontaktierung
verlötet. Ein Mikroprozessor 5 der Schaltungsanordnung 1 ist
ebenfalls auf die Leiterplatte 4 montiert. Eingänge
E1 und E2 des Mikroprozessors 5 sind über
ohmsche Widerstände R1, R2 mit dem Motorkontakt 2 verbunden.
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Ein
ebenfalls auf die Leiterplatte 4 montierter Spannungsregler
oder Gatetreiber 6 der Schaltungsanordnung 1 ist über
Widerstände R3 bis R6 ebenfalls an
den Motorkontakt 2 geführt. In die Verbindungen zwischen
den einzelnen Widerständen R3 bis
R6 und dem Motorkontakt 2 sind
an ein Bezugspotential (Masse) einer Versorgungsspannung UV geschaltete Kondensatoren C3 bis
C6 geführt. Weitere ausgangsseitig
mit dem Spannungsregler 6 verbundene Kondensatoren C1, C2 sind mit den
Widerständen R1 bzw. R2 in
Reihe geschaltet, wobei die jeweilige Verbindung zum Motorkontakt über
Zwischenabgriffe 7 bzw. 8 erfolgt. Der Mikroprozessor 5 und
der Gatetreiber 6 bilden im Wesentlichen die Steuerelektronik.
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Der
Motorkontakt 2 ist zudem über einen (optionalen)
Verpolschutz 9 an einen Versorgungsanschluss 10 (Spannungspluspol)
für die Versorgungsspannung UV geführt,
die in einem Kraftfahrzeug an der Fahrzeugbatterie abgegriffen wird.
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Der
Gatetreiber 6 ist über mehrere Verbindungen mit
einer Anschlussleiste 11 verbunden. Der Gatetreiber 6 kann
direkt über mehrere Verbindungen und die Anschlussleiste 11 von
extern, z. B. über ein zentrales Steuergerät,
angesteuert werden. Bei einer selbständig arbeitenden Elektronik,
insbesondere bei einer integrierten Fensterheber-Elektronik mit
Einklemmschutz, kann der Gatetreiber 6 vollständig
an den Mikroprozessor 5 angeschlossen werden, insbesondere
auch zur Ansteuerung über beispielsweise ein LIN-Busssystem.
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2 zeigt
den Motorkontakt 2 mit einem Kontaktgehäuse 12.
Aus diesem ragen zwei Kontaktelemente 13, 14 in
Form von gabelförmigen Klemmkontakten auf beispielsweise
einer Gehäuseschmalseite heraus. In den Motorkontakt 2 integriert
ist eine Brückenschaltung 15 mit vier Halbleiterschaltern (Leistungshalbleitern) 16, 17 und 18, 19.
Die Halbleiterschalter 16 bis 19 sind geeigneterweise
Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET's. Die Halbleiterschalter 16 bis 19 sind
jeweils mit einer Freilaufdiode 20 bis 23 in Sperrpolung
beschaltet. Die beiden Halbleiterschalter 16 und 17 bilden
dabei einen ersten Brückenzweig der Brückenschaltung 15,
während die beiden anderen Halbleiterschalter 18 und 19 den
zweiten Brückenzweig der Brückenschaltung 15 bilden.
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Die
Brückenzweige 16, 17 und 18, 19 sind über
die Drain-Anschlüsse der Halbleiterschalter 17 und 19 mit
einem Versorgungs- oder Spannungsanschluss (Pluspol) 24 des
Motorkontaktes 2 kontaktintern verbunden. Eine andere kontaktinterne
Verbindung zu einem weiteren Versorgungs- oder Masseanschluss 25 des
Motorkontaktes 2 ist gemeinsam an die Source-Anschlüsse
der beiden anderen Halbleiterschalter 16 und 18 geführt.
Der Spannungsanschluss 24 des Motorkontaktes 2 ist über
den Verpolschutz 9 der Schaltungsanordnung 1 an
den Pluspol 10 der Versorgungsspannung UV geführt.
Analog ist der Anschluss 25 des Motorkontaktes 2 innerhalb
der Schaltungsanordnung 1 mit dem Minuspol der Versorgungsspannung
UV verbunden. Dieser ist in 1 als
Masse dargestellt.
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Die
Kontaktelemente 13 und 14 des Motorkontaktes 2 sind
kontaktintern mit Mittenangriffen 26 und 27 zwischen
den Halbleiterschaltern 16 und 17 des ersten Brückenzweiges
bzw. zwischen den Halbleiterschaltern 18 und 19 des
zweiten Brückenzweiges verbunden. Die beiden Kontaktelemente 13 und 14 des
Motorkontaktes 2 sind somit mit dem durch die Mittenabgriffe 26, 27 repräsentierten Brückenquerzweig
der Brückenschaltung 15 kontaktiert. Dort ist
die sogenannte Brückenquerspannung UB abgreifbar.
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Mittels
dieser Brückenquerspannung UB wird über
die Kontaktelemente 13, 14 des Motorkontaktes 2 soweit über
mit diesen klemmkontaktierte und mit dem Gleichstrommotor 3 verbundene
Gegenkontakte 28 bzw. 29 der Gleichstrommotor 3 versorgt.
Die Spannung UB ist hierbei mittels des
Gatetreibers 6 auf einen Spannungswert von beispielsweise
UB = 3 V eingestellt.
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Mit
den Mittenabgriffen 26, 27 der Brückenschaltung 15 sind
kontaktintern zwei Sense-Anschlüsse 30 bzw. 31 verbunden.
Diese sind innerhalb der Schaltungsanordnung 1 über
die Widerstände R1 bzw. R2 mit dem Mikroprozessor 5 eingangsseitig verbunden. Über
diese Sense-Anschlüsse 30, 31 erhält
der Mikroprozessor 5 der Schaltungsanordnung 1 den
aktuellen Wert der Brückenquerspannung UB und
anhand des Spannungsabfalls über der Brückenschaltung
den Strom als Ist-Wert. Anhand dieser Informationen kann mit dem
Mikroprozessor 5 und über den Gatetreiber 6 eine
Regelung der Ausgangsleistung und/oder der Drehzahl erreicht werden.
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Jeder
Halbleiterschalter 16 bis 19 ist mit dessen Steuereingang
(gate) kontaktintern an einen Steueranschluss 32 bis 35 geführt.
Innerhalb der Schaltungsanordnung 1 sind diese Steueranschlüsse 32 bis 35 mit
dem Gatetreiber 6 ausgangsseitig verbunden.
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3 zeigt
den Motorkontakt 2 mit integrierter Brückenschaltung 15 mit
wiederum vier Halbleiterschaltern 16, 17 und 18, 19.
Diese sind wiederum mit Freilaufdioden 20 bis 23 beschaltet.
Im Unterschied zur Ausführungsform nach 2,
bei der die Brückenschaltung 15 aus vier Halbleiterschaltern 16 bis 19 des
n-Kanal-Typs aufgebaut ist, ist die Brückenschaltung 15 bei
der Ausführungsform nach 3 aus zwei
Halbleiterschaltern 16, 18 des n-Kanal-Typs und
zwei Halbleiterschaltern 17 und 19 des p-Kanal-Typs
aufgebaut. Ansonsten entspricht der Motorkontakt 2 gemäß 3 dem
Motorkontakt 2 gemäß der Ausführungsform
nach 2.
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Der
Motorkontakt 2 kann hinsichtlich der mechanischen Kontaktelemente
und – anschlüsse als Stanzteil ausgeführt
und entsprechend aus einem Stanzblech hergestellt sein. Zumindest
im Bereich der Brückenschaltung 15 ist der Motorkontakt 2 beispielsweise
mittels eines Kunststoffgehäuses ummantelt. Kontaktintern
sind die Drain-, Source- und Gate-Anschlüsse oder -Pins
der Halbleiterschalter 16 bis 19 mit dem entsprechenden
Stanzteilen in der dargestellten Anschlusskonfiguration elektrisch
leitend verbunden bzw. kontaktiert.
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Ein
derartiger Motorkontakt 2 mit integrierter Brückenschaltung
weist somit bereits die elektromechanischen Funktionselemente des
Motorkontaktes 2 sowie darüber hinaus die Leistungselektronik
zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors 3 innerhalb eines üblicherweise
aus dem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe sowie einer
Elektronik aufgebauten Antriebssystems für ein Verstellelement eines
Kraftfahrzeugs auf. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen
Fensterheber des Kraftfahrzeugs zum Verfahren einer Fensterscheibe
zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung,
wozu üblicherweise sowohl die Geschwindigkeit als auch die
Drehrichtung des Gleichstrommotors 3 geregelt oder gesteuert
wird.
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Durch
die Integration der Leistungselektronik in Form der Brückenschaltung 15 mit
den Halbleiterschaltern 16 bis 19 in den Motorkontakt 2 ist
eine besonders raumsparende Konfiguration der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 ermöglicht.
So sind auf der mit vergleichsweise kleinen Abmessungen ausgeführten
Leiterplatte 4 der Schaltungsanordnung 1 lediglich
die Steuerelektronik in Form im Wesentlichen des Mikroprozessors 5 und
des Gatetreibers 6 sowie die genannten zusätzlichen
Bauelemente zu montieren. Somit ist insgesamt die Schaltungsanordnung 1 vergleichsweise
raumsparend aufbaubar, was wiederum zu einer vergleichsweise platzsparenden
Elektronik führt, die dann ein entsprechend kleinvolumiges
Gehäuse innerhalb der Antriebseinheit erfordert.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Motorkontakt
- 3
- Gleichstrommotor
- 4
- Leiterplatte
- 5
- Mikroprozessor
- 6
- Gatetreiber
- 7,
8
- Zwischenabgriff
- 9
- Verpolschutz
- 10
- Versorgungsanschluss/-pluspol
- 11
- Anschlussleiste
- 12
- Kontaktgehäuse
- 13,
14
- Kontaktelement
- 15
- Brückenschaltung
- 16
bis 19
- Halbleiterschalter
- 20
bis 23
- Freilauf-/Bulkdiode
- 24
- Spannungsanschluss
(Pluspol)
- 25
- Masseanschluss
- 26,
27
- Mittenabgriff
- 28,
29
- Gegenkontakt
- 30,
31
- Sense-Anschluss
- 32
bis 35
- Steueranschluss
- UV
- Versorgungsspannung
- UB
- Brückenquerspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006019981
A1 [0002]
- - DE 102006028634 A1 [0003]