DE4134495A1 - Steuereinrichtung fuer elektrische motoren in fahrzeugen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für elektrische Moto­ ren in Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Steuereinrichtung ist aus der DE-OS 36 25 091 (US-PS 49 51 188) bekannt. Die dort beschriebene Steuereinrichtung steuert den elektrischen Motor über wenigstens ein Schaltelement mit getakteten Ansteuersignalen. Die Schaltungsvorrichtung, welche zwi­ schen einer die Steuersignale erzeugenden Recheneinheit und dem elektrischen Motor sich befindet, umfaßt neben dem wenigstens einen Schaltelement eine erste Schaltungsanordnung, die als Spannungser­ höhungsschaltung zur Ansteuerung des wenigstens einen Schaltelements dient. Dabei wird eine Kapazität aufgeladen, die zu einer Spannungs­ erhöhung am Ansteuereingang des wenigstens einen Schaltelements über die Betriebsspannung der Schaltungsvorrichtung führt. Die bekannte Schaltungsvorrichtung erfaßt weitere Schaltungsanordnungen, wie Stromerfassungsorgane, Spannungsreglerschaltungen sowie eine Diagno­ seschaltung zur Stromüberwachung im Motor- bzw. Schaltelementebe­ reich.

In der DE-OS 36 25 091 sind jedoch keine Maßnahmen beschrieben, wel­ che bei Fehlern der Recheneinheit die Steuerbarkeit des elektrischen Motors unterbinden, die Schutz gegen Fehlansteuerungen bieten, die zum Schutz gegen Verpolung geeignet sind oder die stark belastete Bauelemente bzw. die gesamte Schaltungsvorrichtung während Überspan­ nungszuständen schützen. Da bei Fahrzeugen zunehmend Elektromotoren, insbesondere als Stellglied auch in sicherheitsrelevanten Steuersy­ stemen wie Antriebsschlupfregelsystemen oder elektronische Gaspedalsysteme eingesetzt werden, wird an die den elektrischen Motor abhän­ gig von den in einer Recheneinheit erzeugten Ansteuersignalen steuernde Schaltungsvorrichtung hohe Anforderungen bezüglich Be­ triebssicherheit, Verfügbarkeit und Aufwand gestellt. Diese Anfor­ derungen betreffen insbesondere folgende Punkte:

• - Kurzschlußfestigkeit,
• - Verpolschutz,
• - "Load-Dump-Schutz" (Schutz der Schaltung bei Abfall einer Batte­ rieklemme),
• - Verriegelung gegen Fehlfunktionen,
• - geringer Bauelementeaufwand, niedriger Preis,
• - direkte Ansteuerbarkeit aus einem Rechenelement,
• - mittlere, bis hohe Leistungsfähigkeit bei geringen Eigenverlusten,
• - geringes Störspektrum durch Abstrahlung.

Wie oben ausgeführt, können diese Anforderungen durch die bekannte Schaltungsvorrichtung zumindest teilweise nicht erfüllt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Steuereinrichtung für elek­ trische Motoren in Fahrzeugen anzugeben, die diese Anforderungen be­ züglich Betriebssicherheit, Verfügbarkeit und Aufwand erfüllen.

Dies wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentan­ spruchs 1 sowie deren weitere Ausgestaltung in den abhängigen An­ sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung erreicht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise führt zu einer Steuereinrichtung für elektrische Motoren, welche die genannten Kriterien erfüllt.

Vorteilhaft bezüglich einer Verringerung des Aufwandes für eine der­ artige Schaltungsvorrichtung ist eine erste Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe über die Aufladung eines Kondensators eine Spannungs­ überhöhung erreicht wird (versteckte Ladungspumpe). Dies ermöglicht auch die vorteilhafte, direkte Ansteuerbarkeit aus einem Rechenele­ ment, ohne daß Schaltungselemente zur Bildung des vorzugsweise impulsförmigen Ansteuersignals vorzusehen sind.

Besonders vorteilhaft ist im Zusammenhang mit einer Brückenansteue­ rung (Vollbrücke, Halbbrücke) des elektrischen Motors Ergänzungen der ersten Schaltungsanordnung, welche sowohl bezüglich der inversen Brückenansteuerung als auch bei Rechenelementfehler die Schaltungsvorrichtung gegen Fehlfunktionen verriegeln.

Ferner sind die beschriebenen Maßnahmen zur Begrenzung von Flanken­ steilheiten und somit der Störabstrahlung vorteilhaft.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Potentialabfrage an den Mo­ toranschlüssen durch das Rechenelement im Hinblick auf Kurzschluß­ schutz.

Ein weiterer Vorteil stellt der erfindungsgemäße Verpolschutz, durch den eine geringe Verlustleistung der Schaltungsvorrichtung erreich­ bar ist, wobei zusätzlich der die Bordnetzspannung glättende Elek­ trolytkondensator entlastet wird.

Der erfindungsgemäße Schutz bei Abfall einer Batterieklemme ist be­ züglich Aufwand und Funktionsfähigkeit besonders vorteilhaft.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsformen erläutert. Die Fig. 1-3 zeigen dabei eine Steuereinheit, an deren Beispiel die erfindungsgemäßen Maßnah­ men vorgestellt werden.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Schaltungsvorrichtung, anhand der die erfindungsgemäßen Maßnahmen und Schaltungsanordnungen darge­ stellt sind, am Beispiel eines Steuersystems für einen elektrischen Motor, mit dem ein leistungsbestimmendes Element einer Brennkraftma­ schine, wie eine Drosselklappe oder eine Einspritzpumpe, verbunden ist.

Dieses Steuersystem umfaßt wenigstens ein Rechenelement 10, dem über Eingangsleitungen 12 bis 14 von entsprechenden Meßeinrichtungen 16 bis 18 Betriebsgrößen des Fahrzeugs und/oder seiner Antriebseinheit zugeführt werden. Ferner weist die Recheneinheit 10 weitere Ein­ gangsleitungen 28 und 30 auf, während die Leitungen 32, 34 und 36 Ausgangsleitungen der Recheneinheit 10 darstellen. Diese Leitungen finden in den Fig. 2 bzw. 3 ihre Fortsetzung.

Das Rechenelement 10 erzeugt in Abhängigkeit der über die Eingangs­ leitungen 12 und 14 zugeführten Betriebsgrößen Ansteuersignale für die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Schaltungsvorrichtung und somit für den elektrischen Motor. Das Ansteuersignal ist dabei im­ pulsförmig mit abhängig von den zugeführten Betriebsgrößen veränder­ lichem Taktverhältnis, wobei in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, daß ein niedriger Signalpegel einen Stromfluß durch den Motor, d. h. eine Ansteuerung des Motors, zur Folge hat. Ein hoher Signalpe­ gel repräsentiert dann eine Unterbrechung des Stromflusses. Im Falle einer Brückenschaltung (Voll- oder Halbbrücke) zur Ansteuerung des Motors werden für eine erste Drehrichtung des Motors die Ansteuer­ signale über die Leitung 32, für die andere Drehrichtung über die Leitung 34 vom Rechenelement an die Schaltungsvorrichtung 19 abgege­ ben.

Je nach Ausführungsform des Steuersystems (Antriebsschlupfregelung, Leerlaufregelung mit Benzin-/Dieseleinspritzung und/oder Zündungs­ steuerung, elektronisches Gaspedal, Fahrgeschwindigkeitsregler) han­ delt es sich bei den Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs um Radumdrehungsgeschwindigkeiten, Motortemperatur, Bat­ teriespannung, Drehzahl, Fahrpedalstellung, Drosselklappen-/Ein­ spritzpumpenstellung und/oder Fahrzeuggeschwindigkeit. Von entspre­ chenden Meßeinrichtungen 16 bis 18 werden diese Betriebsgrößen dem Rechenelement 10 zur Verfügung gestellt. Das Rechenelement 10 bildet aus diesen Eingangssignalen im jeweiligen Ausführungsbeispiel in aus dem Stand der Technik bekannter Weise die Ansteuersignale für die jeweilige Drehrichtung des elektrischen Motors zur Einstellung der gewünschten Leistung. Über die Ausgangsleitung 36 ist das Rechenele­ ment 10 in der Lage, im Fehlerfall die Ansteuerung abzuschalten. Über die Eingangsleitungen 28 und 30 werden dem Rechenelement Poten­ tiale im Bereich der Motorklemmen zugeführt, die im Rechenelement 10 im Hinblick auf einen Fehlerzustand im Bereich der Schaltungsvor­ richtung ausgewertet werden.

In den Fig. 2 und 3 wird als Ausführungsbeispiel der Schaltungs­ vorrichtung eine Vollbrückenschaltung dargestellt. Diese umfaßt im wesentlichen eine erste Schaltungsanordnung 20 zur Ansteuerung des elektrischen Motors in eine erste Drehrichtung, sowie eine ver­ gleichbar aufgebaute erste Schaltungsanordnung 22 für die andere Drehrichtung. Die beiden Schaltungsanordnungen 20 und 22 umfassen dabei Maßnahmen zur Spannungsüberhöhung, zur Verriegelung gegen Fehlfunktionen, zur Verringerung des Störspektrums, etc. Weiterhin ist eine zweite Schaltungsanordnung 24 dargestellt, mit deren Hilfe der Verpolschutz der Steuereinrichtung bei geringen Eigenverlusten und wenig Aufwand realisiert wird. Als drittes Element ist eine dritte Schaltungsanordnung 26 gezeigt, die eigentliche Vollbrücken­ schaltung, welche Maßnahmen zur Erfassung der Potentiale im Bereich der Motorklemmen sowie Maßnahmen zum Schutz der Schaltung bei Abfall einer Batterieklemme enthält.

Die obengenannten Schaltungsfunktionen bzw. -anordnungen können da­ bei je nach Ausführungsform in beliebig gewählter Zusammenstellung bei Steuersystemen zum Einsatz kommen.

Die Ausgangsleitung 32 des Rechenelements 10 ist gemäß Fig. 2 auf die erste Schaltungsanordnung 20 geführt, während die Ausgangslei­ tung 34 auf die im dargestellten Ausführungsbeispiel identisch auf­ gebaute Schaltungsanordnung 22 geführt ist. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind die Bauelemente der Schaltungsanordnung 22, die mit denen der Schaltungsanordnung 20 deckungsgleich sind, mit den­ selben, mit einem Strich versehenen Bezugszeichen bezeichnet und nicht näher erläutert. Anordnung, Beschaltung und Funktion dieser Bauelemente ergeben sich dabei aus der nachfolgenden Beschreibung der Schaltungsanordnung 20.

Die Eingangsleitung 32 führt auf die Anode einer Diode 38, deren Kathode mit dem Anschlußpunkt 40 verbunden ist. Vom Anschlußpunkt 40 führt eine Leitung 42 zur Schaltungsanordnung 22, während eine wei­ tere Leitung 44 vom Anschlußpunkt 40 zum Anschlußpunkt 46 führt.

Vom Anschlußpunkt 46 führt ein Widerstand 48 zum Anschlußpunkt 50, der über einen Widerstand 52 gegen Masse und eine Leitung 56 auf die Basis eines Transistors 58. Der Emitteranschluß des Transistors 58 ist auf Masse geschaltet, der Kollektoranschluß auf den Anschluß­ punkt 60. Von diesem Anschlußpunkt 60 führt eine Leitung über einen Widerstand 62 zu dem Anschlußpunkt 64, der mit dem positiven Pol 66 der Betriebsspannung und der Anode einer Diode 68 verbunden ist. Die Kathode der Diode 68 ist mit einem Anschlußpunkt 70 verbunden, von dem eine erste Leitung 72 auf den Anschlußpunkt 74 führt, während eine andere Leitung den Anschlußpunkt 70 mit der Anode der Diode 76 verbindet. Die Kathode der Diode 76 ist mit dem Anschlußpunkt 78 verbunden. Der Anschlußpunkt 74 ist mit einem Kondensator 80 und mit einem Widerstand 82 beaufschlagt.

Vom Anschlußpunkt 60 führt eine Leitung 84 auf den Anschlußpunkt 86. An diesem Anschlußpunkt 86 liegt ein Widerstand 88, der den An­ schlußpunkt 86 mit dem Kondensator 80 verbindet. Vom Anschlußpunkt 86 führt ferner eine Leitung 90 auf den Anschlußpunkt 92. Am An­ schlußpunkt 92 liegt die Kathode einer Diode 94, an deren Kathode die Leitung 42′, welche von der Schaltungsanordnung 22 kommt, an­ liegt. Ferner liegt am Anschlußpunkt 92 die Anode einer Diode 96, deren Kathode mit einem Kondensator 98 verbunden ist. Der Diode 96 ist ein Widerstand 100 parallelgeschaltet.

Vom Kondensator 98 führt eine Leitung 102 auf den Verknüpfungspunkt 104, an dem die Leitung 106, eine der Ausgangsleitungen der Schal­ tungsanordnung 20, sowie die Anode der Diode 108 anliegt.

Vom Widerstand 82 führt eine Leitung 110 zum Verknüpfungspunkt 112, an dem der Kollektor eines Transistors 114 angeschlossen ist. Vom Verknüpfungspunkt 112 führt eine weitere Leitung 116 auf den Ver­ knüpfungspunkt 118, an dem die Anode einer Zener-Diode 120 ange­ schlossen ist. Die Kathoden der Dioden 108 und 120 sind im Ver­ knüpfungspunkt 122 zusammengeführt. Vom Verknüpfungspunkt 118 führt die Ausgangsleitung 124 der Schaltungsanordnung 20 zur Schaltungs­ anordnung 26.

Am Verknüpfungspunkt 78 ist über einen Widerstand 126 eine Eingangs­ leitung 128 der Schaltungsanordnung 20 angeschlossen, welche diese mit der Schaltungsanordnung 24 verbindet. Vom Verknüpfungspunkt 78 geht die Leitung 128 zur Schaltungsanordnung 22, deren Eingangslei­ tung sie ebenfalls bildet.

Vom Verknüpfungspunkt 46 führt über einen Widerstand 130 eine Lei­ tung 132 auf den Verknüpfungspunkt 134, an dem ein Widerstand 136 gegen Masse geschaltet ist. Vom Verknüpfungspunkt 134 geht eine Lei­ tung 138 auf die Basis des Transistors 114, dessen Emitter auf Mas­ se, dessen Kollektor mit dem Verbindungspunkt 112 verknüpft ist.

Den Ausgangsleitungen 106 und 124 der Schaltungsanordnung 20 ent­ sprechen die Ausgangsleitungen 140 und 142 der Schaltungsanordnung 22.

Ferner ist in Fig. 2 die Ausgangsleitung 36 der Recheneinheit 10 aufgezeichnet, die auf einen Verknüpfungspunkt 144 führt, an dem ein Widerstand 146 gegen den positiven Pol 66 der Versorgungsspannung geschaltet ist. Vom Verknüpfungspunkt 144 führt die Leitung 36 auf die Basis des Transistors 148, dessen Emitter gegen Masse und dessen Kollektor mit den Verknüpfungspunkten 122 der Schaltungsanordnung 20 bzw. 122′ der Schaltungsanordnung 22 verbunden ist.

In Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung 24 zur Realisierung eines Verpolschutzes dargestellt. Vom Anschlußpunkt 200 der Batterie- bzw. Bordnetzspannung führt eine Leitung 202 zum Anschlußpunkt 204 an dem ein Kondensator 206 gegen Masse geführt ist. Vom Anschlußpunkt 204 führt ferner eine Leitung 208 zum Anschlußpunkt 210, an dem eine Leitung 212 zum Anschlußpunkt 214 führt, während eine andere Leitung 216 über den Widerstand 218 zum Anschlußpunkt 220 führt. Vom An­ schlußpunkt 220 führt eine Leitung 222 auf die Basis eines Transi­ stors 224, dessen Emitter auf den Anschlußpunkt 214 geführt ist, dessen Kollektor mit einem Anschlußpunkt 226 verbunden ist. Ferner führt vom Anschlußpunkt 220 eine Leitung 228 zur Kathode der Diode 230, deren Anode über den Widerstand 232 auf Masse geschaltet ist. Am Anschlußpunkt 226 liegt die Ausgangsleitung 128 der Schaltungsan­ ordnung 24 an, während auf der anderen Seite eine Leitung 234 auf das Gate des Schalttransistors 236 führt. Dessen Source- und Drain­ anschlüsse sind mit dem Anschlußpunkt 214 bzw. einem Anschlußpunkt 238 verbunden. Von diesem führt eine Leitung 240 zur Schaltungsan­ ordnung 26, eine andere Leitung 242 führt auf einen Anschlußpunkt 244 an dem ein erster Kondensator 246 und ein Elektrolytkondensator 248 (Elko) gegen Masse geführt ist. Der Elektrolytkondensator ist dabei mit seinem +-Pol an dem Verknüpfungspunkt 244 angeschlossen.

Die Leitung 240 führt in der Schaltungsanordnung 26 auf einen Ver­ knüpfungspunkt 250. Vom Anschlußpunkt 250 führt eine Leitung 252 zu dem Drain-Anschluß 254 des Schalttransistors 256, während eine zwei­ te Leitung 258 zum Drain-Anschluß 260 des Schalttransistors 262 führt. Die Leitung 124, eine der Ausgangsleitungen der Schaltungsan­ ordnung 20, führt über einen Widerstand 264, einen Verknüpfungspunkt 266 und dem Verknüpfungspunkt 268, an dem ein Widerstand 270 gegen Masse geschaltet ist, auf den Gateanschluß des Transistors 256. Die Leitung 142, die Ausgangsleitung der Schaltungsanordnung 22, führt über den Verknüpfungspunkt 272 zum Gateanschluß des Transistors 262.

Vom Verknüpfungspunkt 266 führt eine Leitung über zwei, mit der Kathode zueinander geschalteten Dioden 274 und 276 zum Verknüpfungs­ punkt 258, wobei die Diode 274 eine Zener-Diode ist. Der Source-An­ schluß des Schalttransistors 256 führt auf den Anschlußpunkt 278, während der Source-Anschluß des Schalttransistors 262 auf den An­ schlußpunkt 280 geführt ist. Wird im Rahmen eines Ausführungsbei­ spiels für eine Halbbrückenansteuerschaltung auf den Transistor 262 verzichtet, so wird an seiner Stelle eine Diode 261 eingefügt, deren Kathode auf den Anschlußpunkt 250, deren Anode auf den Anschlußpunkt 280 geführt ist.

Zwischen den Anschlußpunkten 278 und 280 ist der elektrische Motor 282 angeordnet.

Vom Anschlußpunkt 280 führt eine Leitung 284 über den Anschlußpunkt 286, an dem ein Widerstand 288 gegen Masse geschaltet ist, zum An­ schlußpunkt 272. Vom Anschlußpunkt 278 führt eine Leitung 290 zum Anschlußpunkt 292, an dem ein Widerstand 294 gegen Masse geschaltet ist. Ferner führt vom Anschlußpunkt 292 die Leitung 28 über den An­ schlußpunkt 296, an dem ein Widerstand 298 gegen Masse geschaltet ist, zur Recheneinheit 10. Weiterhin führt vom Anschlußpunkt 278 ei­ ne Leitung 300 zum Drain-Anschluß 302 des Schalttransistors 304. Dessen Gate ist über eine Leitung 306 über die Anschlußpunkte 308 und 310, an denen ein Widerstand 312 sowie eine Zener-Diode 314 ge­ gen Masse geschaltet sind, auf die Leitung 140, die Ausgangsleitung der Schaltungsanordnung 22.

Analog gilt auch hier, daß im Falle einer Halbbrücke anstelle des Transistors 304 eine Diode 303 eingefügt ist, deren Kathode mit der Leitung 300, deren Anode mit dem Punkt 318 verbunden ist. Wird die Gegendiagonale als Halbbrücke ausgewählt, so ist bezüglich den Transistoren 256 und 322 entsprechend vorzugehen.

Der Source-Anschluß des Schalttransistors 304 ist ferner mit der Leitung 316 verbunden, die über einen Verknüpfungspunkt 318, der mit Masse verbunden ist, den Transistor 304 mit dem Source-Anschluß 320 eines vierten Schalttransistors 322 verbindet. Das Gate des Transi­ stors 322 ist über einen Widerstand 324 und die Verknüpfungspunkte 326, 328 und 330 mit der Leitung 106, der Ausgangsleitung der Schal­ tungsanordnung 20 verknüpft. Dabei führen vom Verknüpfungspunkt 326 ein Widerstand, vom Verknüpfungspunkt 330 eine Zener-Diode gegen Masse. Der Drain-Anschluß 332 des Schalttransistors 322 ist über die Verbindungsleitung 334, den Anschlußpunkt 336 mit dem Anschlußpunkt 280 verbunden. Vom Anschlußpunkt 336 führt eine Leitung 340 über zwei, mit ihrer Kathode gegeneinandergeschaltete Dioden 342 und 344 zum Verknüpfungspunkt 328, wobei die Diode 344 eine Zener-Diode ist. Ferner ist an den Verknüpfungspunkt 336 die Leitung 30 angeschlos­ sen, die über den Verknüpfungspunkt 346, an dem ein Widerstand 348 zum positiven Pol 66 der Versorgungsspannung geführt ist, und über den Anschlußpunkt 350, an dem ein Widerstand 352 gegen Masse ge­ schaltet ist, zurück zum Rechenelement 10 führt.

Die Schalttransistoren 256, 262, 304 und 322 bilden eine Voll­ brückenschaltung zur Ansteuerung des elektrischen Motors 282. Dabei dreht der Motor bei geschlossenen Schaltern 256 und 322 in die er­ ste, bei Schließen der Schalter 262 und 304 in die andere Drehrich­ tung. Von den Widerständen 294 und 348 werden die Potentiale der Mo­ torklemmen erfaßt und über die Leitungen 28 und 30 zur Fehlerauswer­ tung an das Rechenelement zurückgeführt.

Im folgenden sei die Funktionsweise der in den Fig. 1-3 darge­ stellten Schaltungsvorrichtung erläutert.

Wie oben erwähnt, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die Phase der Nichtansteuerung, d. h. des unterbrochenen Stromflusses durch den Mo­ tor 282, durch einen positiven Signalpegel auf den Leitungen 32 bzw. 34 gekennzeichnet, während die Phase der Ansteuerung, d. h. der Stromversorgung des Motors 282, durch einen niedrigen, in der Nähe des Massepotentials liegenden Signalpegel charakterisiert ist.

Über die Eingangsleitung 128 sind die Schaltungsanordnungen 20 und 22 mit der Schaltungsanordnung 24 und dem Batterie- bzw. Bordnetzan­ schluß des Steuersystems verbunden. Der positive Pol 66 stellt die Betriebsspannung des Steuersystems dar.

Zunächst seien die Schaltungsmaßnahmen beschrieben, die die direkte Ansteuerbarkeit der Schalttransistoren 256, 262, 304 und 322 gewähr­ leisten und einen großen Anteil an der Reduzierung des Aufwands be­ züglich Bauelementezahl und Kosten tragen.

Das Rechenelement steuert den elektrischen Motor in einer ersten Drehrichtung im wesentlichen über die Leitung 32, Diode 38, Wider­ stand 48, Transistor 58, Diode 96, Leitung 106, Widerstand 324 und Schalttransistor 322 sowie über die Leitung 32, Diode 38, Widerstand 48, Transistor 58, Widerstand 88, Kondensator 80, Widerstand 82, Leitung 124, Widerstand 264 und Schalttransistor 256 an. Analoges gilt für die andere Drehrichtung des Motors, die über die Schalt­ transistoren 262 und 304 bestimmt wird.

Im abgeschalteten Zustand, d. h. bei hohem Signalpegel auf der Lei­ tung 32 (entsprechendes gilt für die Leitung 34 der Schaltungsanord­ nung 22) sind die Transistoren 58 und 114 im geschlossenen Zustand. Das Potential am Anschlußpunkt 60 liegt daher im Bereich des Masse­ potentials, der Kondensator 80 wird über den Widerstand 88 und die Diode 68 auf den Wert der Betriebsspannung (66) aufgeladen (Be­ triebsspannung z. B. 10-12 V). Durch den geschlossenen Transistor 58 und dem sich im Bereich des Massepotentials befindlichem Anschluß­ punkt 60 ist im weiteren Verlauf der Leitungen 84, 90, 102 bei wie nachfolgend beschrieben entladenem Kondensator 98 ein niedriger Signalpegel, wodurch auch auf der Ausgangsleitung 106 der Schal­ tungsanordnung 20 (Ausgangsleitung 140 der Schaltungsanordnung 22) ein niedriger Signalpegel vorliegt und das Schaltelement 322 (304) der Schaltungsanordnung 26 nicht betätigt, d. h. nicht geschlossen ist.

Durch den ebenfalls geschlossenen Transistor 114 liegt der Anschluß­ punkt 112 und damit die Ausgangsleitung 124 auch im Bereich des Mas­ sepotentials. Dadurch ergibt sich auf der Ausgangsleitung 124 der Schaltungsanordnung 20 (bzw. auf der Ausgangsleitung 142 der Schal­ tungsanordnung 22) ein niedriger Signalpegel, so daß das Schaltele­ ment 256 (262) zur Ansteuerung des elektrischen Motors nicht betä­ tigt, d. h. nicht geschlossen wird.

Da in diesem Betriebszustand alle Schaltelemente der Schaltungsan­ ordnung 26 nicht betätigt sind, ist den Stromfluß durch den Motor 282 über die Leitung 240 durch den Motor zum Massepunkt 318 unter­ brochen, das System befindet sich demnach im Nicht-Ansteuerzustand.

Im Ansteuerzustand, d. h. wenn für eine vorgegebene Zeitdauer bei be­ stimmten Tastverhältnis auf Leitung 32 (34) das Potential in die Nähe des Massepotentials wechselt, werden die Transistoren 58 und 114 gesperrt. Dadurch erreicht das Potential am Anschlußpunkt 60 Be­ triebsspannung (10 bis 12 Volt), wodurch der Anschlußpunkt 74 und damit der Anschlußpunkt 112 bei ebenfalls geöffnetem Transistor 114 infolge der im Kondensator 80 gespeicherten Energie (Kondensator­ spannung in der Höhe der Betriebsspannung) auf ein Potential geho­ ben, welches etwa der doppelten Betriebsspannung (ca. 20 Volt) ent­ spricht. Dadurch liegt auf der Ausgangsleitung 124 der Schaltungs­ anordnung 20 (analog auf der Ausgangsleitung 142 der Schaltungsan­ ordnung 22) ein hoher Signalpegel, der zum Schließen des Leistungs­ transistors 256 (262), d. h. zu dessen Betätigung führt.

Bei im Nicht-Ansteuerzustand entladenem Kondensator 98 liegt zu Be­ ginn der Ansteuerphase nach Öffnen des Transistors 58 durch das hohe Potential am Anschlußpunkt 60 auf der Ausgangsleitung 106 der Schal­ tungsanordnung 20 (analog auf der Ausgangsleitung 140 der Schal­ tungsanordnung 22 bei Ansteuerung in der anderen Drehrichtung) ein hoher Signalpegel, was zur Betätigung (Schließen) des Leistungs­ transistors 322 (304) führt.

Dadurch wird der elektrische Motor 282 von Strom durchflossen und dreht sich abhängig von der Stromrichtung in die eine (Transistoren 256 und 322 betätigt) oder die andere Richtung (Transistoren 262 und 304 betätigt). Das System befindet sich im Ansteuerzustand.

Nach Wechsel des Signalpegels auf der Leitung 32 (34) wird der Kon­ densator 80 über den Widerstand 270 entladen. Gleichzeitig wird der Kondensator 98 über den Widerstand 226 aufgeladen. Diese Ladungszu­ standsänderungen sind dabei im Vergleich zu der Zeitdauer des nied­ rigen, aktiven Signalpegels klein, so daß die Betätigung der Schalt­ transistoren der Schaltungsanordnung 26 für diese Dauer gesichert ist.

Die oben geschilderten Maßnahmen erlauben die direkte Ansteuerung der Schalttransistoren aus dem Rechenelement 10 heraus und eine ge­ ringe Bauelementeanzahl. Dadurch sinkt sowohl der Platzbedarf als auch die Kosten. Ferner kann die dargestellte Schaltung universell für verschiedene Treiberstufen, wie Vollbrücke, Halbbrücke oder Ein­ zeltreiber eingesetzt werden und an verschiedene elektrische Ver­ braucher angepaßt werden.

Ferner sind vorteilhafte Maßnahmen zur Verhinderung und Verriegelung von Fehlfunktionen der Schaltungsvorrichtung und/oder des Rechenele­ ments 10 und ihre Auswirkungen getroffen.

Die Ladungszustandsänderungen der Kondensatoren 80 und 98 im An­ steuerzustand führt dazu, daß die Spannung an den Gates der Schalt­ transistoren definiert abgebaut wird. Bleibt infolge eines Fehlers des Rechenelements 10, das keinen korrekten Signalpegelwechsel mehr durchführt, die Ansteuerung der Schalttransistoren zu lang bestehen, so werden die Ent- und Aufladevorgänge der Kondensatoren 80 und 98 so lange fortgeführt, bis die Signalpegel auf den Ausgangsleitungen 124 (142) und 106 (140) der Schaltungsanordnung 20 (22) einen Span­ nungswert aufweisen, der kleiner als die Spannungsschwellen der Schalttransistoren ist, werden diese geöffnet, der Stromfluß durch den Motor unterbrochen. Dadurch schaltet sich die Schaltungsvorrich­ tung selbst ab, eine fehlerhafte Daueransteuerung des Motors wird vermieden und dieser sicher in den abgeschalteten Zustand überführt.

Derartige Maßnahmen sind bei Anwendung beim elektronischen Gaspedal oder bei Antriebschlupfregelungen notwendig, da eine Daueransteue­ rung des Motors im ersten Fall eine Beschleunigung des Fahrzeugs, im anderen Fall eine irrtümliche Leistungseinbuße bedeuten könnte.

Ferner darf im Fehlerfall keine gleichzeitige Betätigung des Motors in beiden Drehrichtungen erfolgen. Dadurch würde die Batteriespan­ nung kurzgeschlossen. Aus diesem Grunde sind erfindungsgemäß Maßnah­ men vorgesehen, durch welche die beiden Ansteuerzweige sich gegen­ seitig verriegeln und einer gleichzeitigen Betätigung vorgebeugt wird.

In Nicht-Ansteuerzustand ist der Kondensator 98 vollständig entla­ den. Die Diode 94 bzw. 94′ ist durch den auf der Leitung 42 bzw. 42′ bei Nicht-Ansteuerung in der zweiten Drehrichtung anliegendem hohen Signalpegel im Sperrbetrieb, im Ansteuerzustand, d. h. bei niedrigem Signalpegel auf der Leitung 32 oder 34, läßt diese Diode eine Signalpegelerhöhung am Anschlußpunkt 92 bzw. 92′ und am Anschluß­ punkt 86 bzw. 86′ nicht mehr zu, da sie dann in Durchlaßrichtung schaltet und eine Ansteuerung der Schaltelemente unterbindet.

Die Diode 94 bzw. 94′ sperrt die mögliche Ansteuerung in der zweiten Drehrichtung während der Ansteuerphase in die erste Drehrichtung. Eine fehlerhafte Ansteuerung über die Leitung 34 bzw. 32 und die Schaltungsanordnung 22 bzw. 20 wirksam verriegelt.

Zur Erkennung von Fehlerzuständen in der Schaltungsvorrichtung, ins­ besondere Kurzschlüsse und ähnliche elektrische Fehler, werden die Potentiale an den Motoranschlüssen durch die Widerstände 294 und 348 erfaßt und über die Leitungen 28 und 30 an das Rechenelement ge­ führt. Dort werden anhand der Potentialwerte unter Bezug auf die au­ genblickliche Ansteuersituation Fehlerzustände abgeleitet.

Im Fehlerfall und nach Abstellen des Motors kann das Rechenelement über ein entsprechendes Spannungssignal durch Schließen des Transi­ stors 148 die Ansteuerung zwangsweise unterbinden und die Schal­ tungsvorrichtung abschalten.

Durch die Diode 96 und den Widerstand 100 werden Einschaltzeitkon­ stante und Ausschaltzeitkonstante der Kondensatorladevorgänge be­ stimmt. Damit lassen sich unterschiedliche Flankensteilheiten des impulsförmigen Ansteuersignals einstellen und die abgestrahlte Stör­ strahlung minimieren.

Von besonderer Bedeutung ist im Zusammenhang mit der Schaltungsan­ ordnung 26 der sogenannte "Load-Dump-Schutz", der die Schaltung bei abgefallenem Batterieanschluß schützt. Fällt ein Anschluß der Batte­ rie ab, so erzeugt der Generator des Motors eine sehr hohe Spannung, die die elektronischen Bauelemente, insbesondere auch den Leistungs­ transistoren, schadet und möglicherweise zu deren Zerstörung führt.

Tritt ein derartiger Fehlerfall auf, so wird der Transistor 256 auf­ grund der hohen Spannung am Anschlußpunkt 250 über die Zener-Dioden 274 und die Diode 276 durchgeschaltet, d. h. im Sinne einer Betäti­ gung angesteuert. Dadurch liegen sowohl am Anschlußpunkt 254 und am Gate des Transistors hohe Signalpegel an, der Transistor 256 arbei­ tet dann wie eine Zehnerdiode und kann über seine Drain-Source-Strecke eine Spannung von ca. 40 Volt aufnehmen und stabilisieren. Ähnliche Wirkungen zeigt die Diode 342 und die Zener-Diode 344 in Verbindung mit dem Transistor 322. Auch dieser kann eine Spannung von ca. 40 Volt aufnehmen, die Differenz zur tat­ sächlich anliegenden Spannung wird vom Motor 282 aufgenommen. Auf diese Weise wird der Überspannungspuls, der durch Abfallen der Bat­ terie entstand, auf zwei Transistoren sowie den Motor verteilt. Da­ durch ist es möglich, erhebliche Überspannungen, im Bereich von 120 Volt, aufzunehmen, ohne die Schaltung zu beschädigen.

Es läßt sich auf diese Weise ein Load-Dump-Schutz bei einer Brücken­ endstufe praktisch ohne Energieaufnahme realisieren. Die Schaltung paßt sich der bei diesem Fehlerfall auftretenden Spannung an. Über­ steigt die Spannung im Load-Dump-Fall 80 Volt, die Summe der von den Transistoren stabilisierbaren Spannungen, so setzt ein Stromfluß durch die Transistoren ein, der eine Verlustleistung erzeugt. Der Einsatzpunkt für diese Stromaufnahme kann durch Modifikation der Zenerspannung der Transistoren angepaßt werden.

Die Schaltungsanordnung 24 realisiert einen Verpolschutz, führt zu einer vorteilhaften Verringerung der Verlustleistung und schützt den die Bordnetzspannung glättenden Elektrolytkondensator 248.

Der Verpolschutz wird im wesentlichen durch den Transistor 236 rea­ lisiert. Soll der Motor Strom aufnehmen, so wird über die Diode 68 und 76 sowie den Widerstand 126 der Transistor 236 eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt würde der Transistor invers betrieben. Dadurch wird die parasitäre Diode (Source-Drain) des Transistors sehr stark ent­ lastet, da der Strom über die Drain-Source-Strecke fließt. Es tritt nur eine deutlich verminderte Verlustleistung auf. Bei Nicht-An­ steuerung des Motors fließt ein Strom über den dann im Normalbetrieb arbeitenden Transistor 236 ins Netz zurück, wobei im Falle einer Halbbrücke der Stromkreis durch die Dioden 261 und 303 geschlossen ist, bzw. im Falle einer Vollbrücke durch die parasitären Source-Drain-Dioden der Gegendiagonaltransistoren. Dadurch kann die im Spulenfeld des Motors gespeicherte Energie bis zu 35% ins spei­ sende Netz zurückgeführt werden. Wird die Batteriespannung am An­ schlußpunkt 200 verpolt angeschlossen, so wird die Ansteuerung des Transistors 236 über den Widerstand 218, die Diode 230 sowie den Transistor 224 abgeschaltet. Damit wird die Brücke vor der Zerstö­ rung durch Kurzschluß des versorgenden Kreises über den Transistor 224 geschützt.

Der Elektrolytkondensator 248, der am Bordnetz betrieben wird, ist in der Regel stark belastet. Dieser Kondensator hat die Aufgabe, die vom Steuersystem erzeugte Bordnetzwelligkeit zu glätten und würde ohne Entkopplung vom Bordnetz auch außerhalb des Betriebs des Steuersystems das Bordnetz glätten und somit unnötige Verlustlei­ stung erzeugen. Dadurch wird die Lebensdauererwartung dieses Bauele­ mentes abgesenkt. Bei Endstufen, die nicht dauernd in Betrieb sind, ist es wünschenswert, den Elektrolytkondensator zu schützen. Daher wird bei Nichtansteuerung der Transistor 236 abgeschaltet und der Kondensator 248 vom Bordnetz entkoppelt. Dieser führt daher keine unnötige Bordnetzglättung durch, dadurch kann die Verlustleistung im Elektrolytkondensator wirkungsvoll verringert werden, und somit auch dessen Lebensdauer erhöht werden.

Die vorstehend im Zusammenhang beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen können in anderen Ausführungsbeispielen jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination Anwendung finden.

Vorteilhaft ist ferner die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen in Verbindung mit anderen elektrischen Motoren in Fahrzeugen.

Claims (10)

1. Steuereinrichtung für elektrische Motoren bei Fahrzeugen,

• - mit wenigstens einem Rechenelement, das Steuersignale zur Betätigung des elektrischen Motors erzeugt,
• - mit einer Schaltungsvorrichtung, welche zwischen Rechenelement und Motor geschaltet ist,
• - die wenigstens ein Schaltelement umfaßt, das den elektrischen Mo­ tor steuert und mit den Steuersignalen beaufschlagt wird,
• - und die Schaltungsmittel umfaßt, die die von dem Rechenelement er­ zeugten Steuersignale zur Beaufschlagung des wenigstens einen Schaltelements anpassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung ferner wenigstens eines der folgenden Schaltungsmittel umfaßt, die die Steuervorrichtung vor Fehlfunktio­ nen und Schäden schützen:
• - Mittel, die eine Beendigung der Ansteuerung des elektrischen Mo­ tors sicherstellen,
• - Mittel, die bei einer Ansteuerung des Motors über eine Brücken­ schaltung bei Ansteuerung über den einen Brückenzweig die gleichzei­ tige Ansteuerung über den anderen unterbinden,
• - Mittel, die die Schaltungsvorrichtung bei Überspannungen bzw. -strömen im Versorgungsspannungsbereich schützen.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Schaltelement zur Steuerung des elektrischen Motors über wenigstens einen Steueranschluß und einen Versorgungsspannungs­ anschluß verfügt, die derart, vorzugsweise über Dioden, miteinander verbunden sind, daß das wenigstens eine Schaltelement im Falle einer Überspannung in der Versorgungsspannung angesteuert wird.

3. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Schutz gegen Verpolung ein Schaltele­ ment vorgesehen ist, welches derart beschaltet ist, daß es im An­ steuerfall und im Nicht-Ansteuerfall des elektrischen Motors ge­ schlossen ist und den Versorgungsstrom zum Motor oder der vom Motor zurückfließende Strom führt, und im Verpolfall die Versorgungslei­ tung öffnet.

4. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung eine Brücken­ schaltung mit wenigstens zwei Schaltelementen umfaßt, die den Motor in jeweils eine Drehrichtung betätigen, wobei Schaltungsmittel, vor­ zugsweise Dioden, vorgesehen sind, die während der Betätigung des Motor in eine Drehrichtung die Betätigung in die andere sperren.

5. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Rechenelement über wenigstens einen Ausgang verfügt, der mit wenigstens einem Schaltelement verbunden ist, das im Nicht-Ansteuerfall einen Schaltzustand einnimmt, durch den ein Kondensator aufgeladen wird, und das im Ansteuerfall einen Schaltzustand einnimmt, durch den der Kondensator entladen wird, so daß die Ansteuerung zwangsweise beendigt bzw. unterbrochen wird.

6. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltungsvorrichtung eine Voll­ brückenschaltung mit vier Schaltelementen umfaßt, die jeweils paar­ weise angesteuert den Motor in zwei Drehrichtungen betätigen.

7. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die zwei Schaltelemente für eine Drehrich­ tung abhängig von einem Ansteuersignal betätigt werden, wobei das Ansteuersignal wenigstens zwei Schaltelemente (Transistoren 58, 114) steuert, wobei im Nicht-Ansteuerfall das erste Schaltelement einen Schaltzustand einnimmt, durch den ein Kondensator aufgeladen wird, das zweite Schaltelement die Ansteuerleitung auf den Signalpegel der Nicht-Ansteuerung führt, im Ansteuerfall das erste Schaltelement einen Schaltzustand einnimmt, durch den der Kondensator entladen wird, und das zweite Schaltelement die Ansteuerung freigibt.

8. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß schaltungstechnische Maßnahmen vorgesehen sind, durch die die Änderungszeitkonstanten des impulsförmigen An­ steuersignals verschieden einstellbar sind.

9. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß durch die Schaltungsvorrichtung ein lei­ stungsbestimmendes Element einer Brennkraftmaschine gesteuert wird.

10. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der die Bordnetzwelligkeit glättende Elektrolytkondensator an den Drain-Anschluß des Schalttransistors zur Realisierung des Verpolschutzes angeschlossen ist.