DE102010042292A1

DE102010042292A1 - Verfahren zur Funktionsprüfung eines elektrischen Halbleiterschalters, Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens und Hausgerät mit einer solchen Steuereinheit

Info

Publication number: DE102010042292A1
Application number: DE102010042292A
Authority: DE
Inventors: Hasan Gökcer Albayrak; Heiko Jahnke
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2010-10-11
Filing date: 2010-10-11
Publication date: 2012-04-12
Also published as: WO2012049109A1; DE112011103426A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines elektrischen Halbleiterschalters, dessen Steueranschluss zu einem Zündzeitpunkt t1, t3 mittels einer Steuereinheit mit einem Zündimpuls 3 beaufschlagt wird, wobei ein Stromflusszeitpunkt t2, t4, zu welchem die Stromstärke des über den Halbleiterschalter fließenden Stromes i(t) den Wert Null verlässt, erfasst wird, und eine Zeitdifferenz Δt zwischen dem Zündzeitpunkt t1, t3 und dem Stromflusszeitpunkt t2, t4 zur Funktionsprüfung des Halbleiterschalters ausgewertet wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinheit zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Hausgerät mit einer solchen Steuereinheit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung bzw. zur Prüfung eines ordnungsgemäßen Betriebs eines elektrischen Halbleiterschalters, insbesondere zur Funktionsprüfung eines Triacs eines Hausgeräts. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinheit zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Hausgerät mit einer solchen Steuereinheit.
Eine Überwachungsschaltung für die Steuerung eines Elektromotors einer Waschmaschine ist beispielsweise aus der DE 197 33 533 C2 bekannt, bei der eine Steuereinheit die Motordrehzahl über einen mit dem Elektromotor am Versorgungsnetz in Reihe geschalteten Halbleiterschalter regelt und die Ist-Drehzahl über einen Tachometer auswertet. Es kann mit Hilfe einer Schaltung anhand von deren Ausgangsspannung festgestellt werden, ob der Halbleiterschalter vollständig funktionsfähig ist oder nicht, beispielsweise, ob der Halbleiterschalter einen Kurzschluss aufweist oder nicht. Dies wird durch einen Widerstand ermöglicht, der die obige Schaltung mit einem Netzanschluss verbindet und somit ein Auftreten einer elektrischen Spannung am Eingang der Schaltung zur Folge hat. Da sich die Ausgangsspannung der Schaltung bei dem defekten Halbleiterschalter von der Ausgangsspannung bei dem vollständig betriebsfähigen Halbleiterschalter deutlich unterscheidet, kann die Steuereinheit diese Ausgangsspannung auswerten und ggf. direkt auf eine Fehlfunktion, wie insbesondere auf einen Kurzschluss des Halbleiterschalters zurückschließen.
Außerdem ist bekannt, dass es durch verschiedene Ursachen, wie beispielsweise altersbedingte Durchlegierung oder thermische Überlastung des Halbleiterschalters zu einem Verlust der Sperrfähigkeit desselben kommen kann. Dies hat wiederum zur Folge, dass ein gezieltes Schalten des Halbleiterschalters, wie es beispielsweise eine Phasenanschnittsteuerung zur Regelung oder Steuerung einer Motordrehzahl erfordert, nicht mehr möglich ist. Dies wiederum kann zu einem unkontrollierten Hochfahren des Motors bis auf eine Enddrehzahl führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Steuereinheit bzw. ein Hausgerät mit einer solchen Steuereinheit zu schaffen, mit denen ein rasches Erkennen einer Fehlerfunktion des Halbleiterschalters, insbesondere auch während des Betriebs eines den Halbleiterschalter aufweisenden Hausgeräts ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 mit der Steuereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und dem Hausgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens geben auch vorteilhafte Ausführungen der Steuereinheit bzw. des Hausgeräts und umgekehrt an.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zur Funktionsprüfung eines elektrischen Halbleiterschalters ausgelegt, dessen Steueranschluss zu einem Zündzeitpunkt mittels einer Steuereinheit mit einem Zündimpuls beaufschlagt wird. Dabei wird ein Stromflusszeitpunkt, zu welchem die Stromstärke des über den Halbleiterschalter fließenden Stromes den Wert Null verlässt, erfasst und eine Zeitdifferenz zwischen dem Zündzeitpunkt und dem Stromflusszeitpunkt wird zur Funktionsprüfung des Halbleiterschalters ausgewertet.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, zwei Zeitpunkte, einen Zündzeitpunkt, zu welchem der Halbleiterschalter angesteuert wird, und einen Stromflusszeitpunkt, zu welchem der Halbleiterschalter tatsächlich leitend wird oder der Verlauf der Stromstärke des über den Halbleiterschalter fließenden Stromes den Wert Null passiert, in Beziehung miteinander zu setzen und die Zeitverschiebung zwischen den beiden Zeitpunkten auszuwerten. Somit kann der Halbleiterschalter unabhängig vom Vorhandensein eines Drehzahlsensors sowie unabhängig von der Frequenz einer Versorgungsspannung, an welche der Halbleiterschalter angeschlossen ist, erfolgen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Halbleiterschalter auch während des Betriebs auf eine Fehlerfunktion hin überwacht werden, wodurch die Betriebssicherheit eines den Halbleiterschalter aufweisenden Hausgeräts erhöht wird. Durch Auswertung der Zeitdifferenz ist es ferner möglich, kurzzeitige bzw. kurzfristige Verluste der Sperrfähigkeit des Halbleiterschalters zu erkennen, durch welche es zu Drehzahlschwankungen des Antriebsmotors kommen kann. Gerade diese kurzzeitigen Verluste der Sperrfähigkeit des Halbleiterschalters können durch die bekannten Verfahren nicht erkannt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Drehzahlschwankungen, die durch die kurzzeitigen Verluste der Sperrfähigkeit verursacht werden, durch entsprechende Regelung ausgeglichen werden.
Vorzugsweise werden der Zündzeitpunkt und der Stromflusszeitpunkt bezogen auf eine halbe Periodendauer einer Netzspannung, an welcher der Halbleiterschalter anliegt, normiert. Dann ist auch die Zeitdifferenz zwischen dem Zündzeitpunkt und dem Stromflusszeitpunkt bezogen auf die halbe Periodendauer der Netzspannung normiert. Bei dieser Ausführungsform wird folglich ein normierter Soll-Zündwinkel des Halbleiterschalters mit einem tatsächlich gemessenen normierten Ist-Zündwinkel verglichen, und eine Zündwinkeldifferenz zwischen dem Soll-Zündwinkel und dem Ist-Zündwinkel wird berechnet. Es kann somit der Verlust der Sperrfähigkeit des Halbleiterschalters innerhalb einer Netzhalbwelle erkannt werden.
Vorzugsweise wird die Zeitdifferenz mit einem in der Steuereinheit abgelegten Referenzwert verglichen. Dann wird eine Fehlfunktion des Halbleiterschalters erkannt, wenn die Zeitdifferenz den Referenzwert überschreitet. Als Referenzwert wird bevorzugt ein Wert verwendet, welcher durch physikalische Eigenschaften des Halbleiterschalters bestimmt wird. Wird die Zeitdifferenz bezogen auf eine halbe Periodendauer der Netzspannung normiert, so beträgt der Referenzwert erfahrungsgemäß etwa 1%, was jedoch von den jeweiligen physikalischen Eigenschaften des Halbleiterschalters abhängt. Bei der Bestimmung des Referenzwertes können ferner Reaktionszeiten bzw. Ansprechzeiten berücksichtigt werden, die für die Auswertung des über den Halbleiterschalter fließenden Stromes bzw. eines Motorstromes erforderlich sind.
Bevorzugt wird mit dem Halbleiterschalter ein Antriebsmotor eines Hausgeräts, insbesondere zur Pflege von Wäschestücken, angesteuert. Auf diesem Wege gelingt es, ein unkontrolliertes Drehzahlverhalten im Falle einer Fehlfunktion des Halbleiterschalters zu vermeiden. Wird eine Fehlfunktion des Halbleiterschalters durch die Auswertung der Zeitdifferenz zwischen dem Zündzeitpunkt und dem Stromflusszeitpunkt erkannt, so können entsprechende Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann bei der erkannten Fehlfunktion die Steuereinheit des Halbleiterschalters bzw. das Hausgerät abgeschaltet bzw. vom Versorgungsnetz getrennt werden.
Es wird bevorzugt ein Triac als Halbleiterschalter verwendet.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Steuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine solche Steuereinheit umfasst einen elektrischen Halbleiterschalter, dessen Steueranschluss zu einem Zündzeitpunkt mittels der Steuereinheit mit einem Zündimpuls beaufschlagbar ist, eine Zeiterfassungseinheit, mit der ein Stromflusszeitpunkt, zu welchem die Stromstärke des über den Halbleiterschalter fließenden Stromes den Wert Null verlässt, und eine Zeitdifferenz zwischen dem Zündzeitpunkt und dem Stromflusszeitpunkt erfassbar ist, und eine Auswerteeinheit, mit der abhängig von dem Stromflusszeitpunkt und der Zeitdifferenz ein Fehlersignal erzeugbar ist.
Darüber hinaus wird ein Hausgerät, das insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgerüstet ist, mit einem Antriebsmotor und mit der erfindungsgemäßen Steuereinheit geschaffen, wobei der Halbleiterschalter zur Ansteuerung des Antriebsmotors mit dem Antriebsmotor verbunden ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt dabei einen Verlauf einer Netzspannung, einen Verlauf eines über einen Halbleiterschalter fließenden Stromes sowie einen zeitlichen Verlauf von Zündimpulsen, die an den Halbleiterschalter abgegeben werden.
Die Figur stellt in ihrem oberen Teil einen zeitlichen Verlauf 1 einer Netzspannung u(t), an welcher ein Triac zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Waschmaschine anliegt, sowie einen zeitlichen Verlauf 2 eines Motorstromes i(t) dar. Auf der x-Achse ist die Zeit t aufgetragen. In ihrem unteren Teil stellt die Figur eine Reihe von Zündimpulsen 3 dar, die an einen Steueranschluss des Triacs zeitversetzt abgegeben werden. Durch die Zündimpulse wird der Triac leitend geschaltet. Funktioniert der Triac ordnungsgemäß, so ist zu erwarten, dass nach dem Zünden des Triacs durch das Abgeben eines Zündimpulses 3 der Motorstrom i(t) so lange fließt, bis er den Wert Null erreicht. Nach einem Zündimpuls 3 soll sich somit der Motorstrom i(t) selbst halten.
Anhand der Verläufe 1, 2 wird nun ein Verfahren zur Funktionsprüfung bzw. zur Überwachung des Triacs näher erläutert. Der Verlauf 1 der Netzspannung u(t) beginnt in der Figur mit einem ersten Nulldurchgang (n – 1), passiert nach der Zeitdauer einer halben Netzwelle einen zweiten Nulldurchgang (n) und endet nach der Zeitdauer einer vollständigen Netzwelle bzw. nach Passieren eines dritten Nulldurchganges (n + 1). Das Verfahren wird somit anhand einer vollständigen Periodendauer der Netzspannung erläutert.
Während der Zeitdauer der halben Netzwelle der Netzspannung u(t), also zwischen dem ersten Nulldurchgang (n – 1) und dem zweiten Nulldurchgang (n) der Netzspannung u(t) wird zu einem Zündzeitpunkt t, ein erster Impuls 3 an den Steueranschluss des Triacs abgegeben, und der Triac wird gezündet. Nach einer Zeitdifferenz Δt, also zu einem Stromflusszeitpunkt t₂, beginnt der Motorstrom i(t) zu fließen. Die Zeitdifferenz Δt hängt dabei von den physikalischen Eigenschaften des Triacs ab.
Die Zeitverschiebung zwischen dem Zünden des Triacs und dem Beginn des Stromflusses i(t) kann auch anhand von Zündwinkeln erläutert werden. Um die Drehzahl des Antriebsmotors zu regeln, wird bei der Ansteuerung des Triacs für jede Netzhalbwelle ein Soll-Zündwinkel berechnet, welcher bezogen auf die Zeitdauer einer halben Netzwelle normiert wird. Der normierte Soll-Zündwinkel α_soll,norm(n), welcher den Zeitpunkt t, definiert, ist in der Figur abgebildet. Der Soll-Zündwinkel α_soll,norm(n) kann nun mit einem gemessenen normierten Ist-Zündwinkel α_ist,norm(n) verglichen werden. Dabei ist der Ist-Zündwinkel α_ist,norm(n) durch eine Zeitdifferenz zwischen dem zweiten Nulldurchgang (n) der Netzspannung u(t) und dem Stromflusszeitpunkt t₂ bezogen auf eine halbe Periodendauer der Netzspannung u(t) definiert. Vergleicht man nun den Soll-Zündwinkel α_soll,norm(n) mit dem Ist-Zündwinkel α_ist,norm(n), so ist die Differenz zwischen den beiden Winkeln gleich der Zeitdifferenz Δt.
Um nun den Triac auf eine Fehlerfunktion hin zu überprüfen, wird die Zeitdifferenz Δt mit einem in einem Speicher einer Steuereinheit abgelegten Referenzwert verglichen. Dieser Referenzwert wird dabei in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften des Triacs sowie von der Ansprechzeit der Motorstromauswertung definiert. Der Referenzwert kann dabei beispielsweise durch Versuche oder durch ein mathematisches Modell bestimmt werden. Weicht die gemessene Zeitdifferenz Δt von dem Referenzwert ab, insbesondere überschreitet sie den Referenzwert, so kann auf eine Fehlerfunktion des Triacs geschlossen werden.
Die Zeitdifferenz Δt zwischen dem Zündzeitpunkt t₁ und dem Stromflusszeitpunkt t₂ während der Zeitdauer der ersten Halbwelle, also zwischen dem ersten Nulldurchgang (n – 1) und dem zweiten Nulldurchgang (n) der Netzspannung u(t), wie sie in der Figur abgebildet ist, stellt im vorliegenden Beispiel einen ordnungsgemäßen Betrieb des Triacs dar. Bezugnehmend auf die Zeitdauer der zweiten Halbwelle, also auf die Zeitdauer zwischen dem zweiten Nulldurchgang (n) und dem dritten Nulldurchgang (n + 1) der Netzspannung u(t), wird nun ein Fehlerfall bei dem Betrieb des Triacs vorgestellt.
Zu einem weiteren Zündzeitpunkt t₃ wird an den Steueranschluss des Triacs ein Zündimpuls abgegeben, durch welchen der Triac leitend geschaltet werden soll. Allerdings passiert der Verlauf 2 des Motorstroms i(t) den Wert Null bereits zu einem Stromflusszeitpunkt t₄ vor dem Zündzeitpunkt t₃. Bei einem ordnungsgemäßen Betrieb des Triacs sollte der Stromfluss i(t) nach dem Erreichen des Wertes Null von dem Triac gesperrt werden und erst nach einem weiteren Zündimpuls 3 eintreten. Dies ist in der Figur während der Zeitdauer der zweiten Halbwelle nicht der Fall. Die Zeitdifferenz Δt zwischen dem Zündzeitpunkt t₃ und dem Stromflusszeitpunkt t₄, welche nun deutlich größer als die Zeitdifferenz Δt während der Zeitdauer der ersten Halbwelle ist, deutet unmittelbar darauf hin, dass eine Fehlerfunktion des Triacs auftritt. Die Zeitdifferenz Δt kann hier auch anhand von Zündwinkeln berechnet werden, also als eine Differenz zwischen einem normierten Soll-Zündwinkel α_{soll,norm(n+1)} und einem gemessenen normierten Ist-Zündwinkel α_{ist,norm(n+1)}. Durch die Auswertung der Zeitdifferenz Δt wird deutlich, dass der Triac seine Sperrfähigkeit verloren hat, so dass der Motorstrom i(t) beim Passieren des Wertes Null nicht gesperrt wird, sondern der Stromfluss erneut eintritt.
Wird bei der Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors, beispielsweise bei einem hohen Lastmoment, ein maximaler Zündwinkel, also ein normierter Zündwinkel von 100% erforderlich, so ist dieser reguläre Betriebsfall von einer Fehlerfunktion des Triacs nicht zu unterscheiden. In einem solchen Fall kann der Soll-Zündwinkel schrittweise auf den maximalen Zündwinkel erhöht werden. Eine Fehlerfunktion des Triacs kann dann wieder erkannt werden, sobald ein geringeres Lastmoment zu einem Zündwinkel kleiner als der maximale Zündwinkel führt.
Das oben dargestellte Verfahren kann auch im Motorstillstand oder auch während eines Motorauslaufs, also wenn keine Zündung des Triacs erfolgt, angewandt werden. In diesem Fall beträgt der Soll-Zündwinkel Null, so dass auch ein kurzzeitiger Stromfluss bedingt durch den Verlust der Sperrfähigkeit des Triacs und somit eine Fehlerfunktion desselben erkannt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine im Vergleich zum Stand der Technik günstige Funktionsprüfung eines elektrischen Halbleiterschalters, wie insbesondere eines Triacs. Das Verfahren erfordert nämlich keinen Drehzahlsensor, wie er beispielsweise als Tachometer im Stand der Technik eingesetzt wird. An dieser Stelle sei ferner erwähnt, dass das Verfahren auch unabhängig von der Frequenz der Netzspannung u(t) sowie unabhängig von Frequenzschwankungen angewandt werden kann. Auch kurzzeitige bzw. kurzfristig auftretende Verluste der Sperrfähigkeit des Triacs, welche üblicherweise zu Drehzahlschwankungen des Antriebsmotors führen, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19733533 C2 [0002]

Claims

Verfahren zur Funktionsprüfung eines elektrischen Halbleiterschalters, dessen Steueranschluss zu einem Zündzeitpunkt (t₁, t₃) mittels einer Steuereinheit mit einem Zündimpuls (3) beaufschlagt wird, wobei ein Stromflusszeitpunkt (t₂, t₄), zu welchem die Stromstärke des über den Halbleiterschalter fließenden Stromes (i(t)) den Wert Null verlässt, erfasst wird, und eine Zeitdifferenz (Δt) zwischen dem Zündzeitpunkt (t₁, t₃) und dem Stromflusszeitpunkt (t₂, t₄) zur Funktionsprüfung des Halbleiterschalters ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (t₁, t₃) und der Stromflusszeitpunkt (t₂, t₄) bezogen auf eine halbe Periodendauer einer Netzspannung (u(t)), an welcher der Halbleiterschalter anliegt, normiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdifferenz (Δt) mit einem in der Steuereinheit abgelegten Referenzwert verglichen wird, und eine Fehlfunktion des Halbleiterschalters erkannt wird, wenn die Zeitdifferenz (Δt) den Referenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer erkannten Fehlfunktion des Halbleiterschalters die Steuereinheit abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzwert ein Wert verwendet wird, welcher durch physikalische Eigenschaften des Halbleiterschalters bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Halbleiterschalter ein Antriebsmotor eines Hausgeräts, insbesondere zur Pflege von Wäschestücken, angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterschalter ein Triac verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer erkannten Fehlfunktion des Halbleiterschalters das Hausgerät abgeschaltet oder vom Versorgungsnetz getrennt wird.
Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem elektrischen Halbleiterschalter, dessen Steueranschluss zu einem Zündzeitpunkt (t₁, t₃) mittels der Steuereinheit mit einem Zündimpuls (3) beaufschlagbar ist, umfassend eine Zeiterfassungseinheit, mit der ein Stromflusszeitpunkt (t₂, t₄), zu welchem die Stromstärke des über den Halbleiterschalter fließenden Stromes (i(t)) den Wert Null verlässt, und eine Zeitdifferenz (Δt) zwischen dem Zündzeitpunkt (t₁, t₃) und dem Stromflusszeitpunkt (t₂, t₄) erfassbar ist, und umfassend eine Auswerteeinheit, mit der abhängig von dem Stromflusszeitpunkt (t₂, t₄) und der Zeitdifferenz (Δt) ein Fehlersignal erzeugbar ist.
Haushaltgerät, insbesondere zur Pflege von Wäschestücken, mit einem Antriebsmotor und mit einer Steuereinheit nach Anspruch 9, wobei der Halbleiterschalter zur Ansteuerung des Antriebsmotors mit dem Antriebsmotor verbunden ist.