WO2005008877A1 - Überwachungselektronik für einen elektromotor und verfahren zur überwachung eines elektromotors - Google Patents

Überwachungselektronik für einen elektromotor und verfahren zur überwachung eines elektromotors Download PDF

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WO2005008877A1
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electric motor
relay
monitoring
delay time
motor
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Inventor
Thomas Fischer
Stephan Binhack
Paul Lecoultre
Michael Thomas
Ralf-Peter Bergmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/027—Details with automatic disconnection after a predetermined time
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors

Definitions

  • the invention is based on monitoring electronics for an electric motor according to the preamble of claim 1 and a method for monitoring an electric motor according to the preamble of claim 6.
  • the window motor is generally controlled via a relay or a semiconductor switch.
  • the control takes place via control electronics which control the coils of the relay or the semiconductor stages in order to switch the motor current on and off and to reverse the polarity.
  • FIG. 3 A basic circuit diagram of such a control is shown in FIG. 3.
  • Switch 2 and connected to a movable switch contact of a second switch 3.
  • First fixed contacts of the first switch 2 and the second switch 3 are each connected to the supply voltage Ubat and respective second fixed contacts of the first switch 2 and the second switch 3 are connected to the vehicle ground GND.
  • the switching contact of the first switch 2 is switched over a first coil 4 and the switching contact of the second switch 3 is switched over a second coil 5.
  • the switch contact of the first switch 2 is connected to its first fixed connection and thus to the supply voltage Ubat.
  • the switch contact of the second switch 3 is connected to its second fixed connection and thus to ground GND. So it follows that the engine is in a certain
  • the load dump is a test pulse that is specified by the automobile manufacturer and must be tested on all control units in the vehicle and passed by them. It differs only slightly between the individual car manufacturers. It is e.g. by a voltage increase of 21.5 V within t ⁇ 10 ms, which must be endured in addition to the on-board voltage.
  • Such a load dump test pulse is shown in FIG. 2 for a 12 V and a 42 V electrical system. The test pulse for the 12 V vehicle electrical system rises from the on-board voltage 13.5 V to 35 V within t ⁇ 10 ms, holds this voltage for 300 ms and drops back to the on-board voltage within approx. 90 ms.
  • the monitoring electronics detect the overvoltage and switch the motor after a short time
  • the monitoring electronics for an electric motor which monitors a supply voltage of the electric motor and interrupts a power supply to the electric motor after a system-inherent reaction time if the supply voltage is above a certain upper limit, by
  • Characterized delay element that additionally delays the start of the interruption of the power supply by a certain delay time.
  • the method according to the invention for monitoring an electric motor with the steps: monitoring a supply voltage of the electric motor, and interrupting a current supply to the electric motor after a system-inherent reaction time if the supply voltage is above a certain upper limit value, according to the invention comprises the additional step of additionally delaying the start of the Interruption of the power supply by a certain delay time.
  • the electric motor is switched via a relay or a semiconductor switch.
  • the delay time is preferably determined such that a current drawn by the electric motor, which increases due to the voltage rise in an acceleration phase, is again below a certain value after the delay time and the reaction time have elapsed. This value is determined in such a way that the relay used as the switching element or the semiconductor switch used as the switching element is in no way destroyed or damaged when it is switched off. As a rule, the boundary condition is to switch off the engine as quickly as possible.
  • the delay time is preferably between 10 ms and 100 ms, more preferably between 20 ms and 50 ms and even more preferably 30 ms.
  • the selected delay time depends on the current profile during the pulse, which depends on the pulse advance and the motor parameters.
  • the monitoring electronics according to the invention can be integrated into the circuit
  • Control electronics for an electric motor can be integrated.
  • Figure 1 is a diagram of the course of the supply voltage, the switching voltage for the relay and the current consumption of the motor in the event of a relay shutdown according to the invention and according to the prior art;
  • FIG. 2 shows a load dump test pulse
  • Figure 3 is a schematic diagram of the control of an electric motor with relay.
  • FIG. 1 The switching behavior of the monitoring electronics according to the invention for an electric motor in comparison to that of monitoring electronics for an electric motor according to the prior art is described below with reference to FIG. 1.
  • a curve of the supply voltage, the switching voltage of the relay and the current consumption of the motor according to the invention is shown, while in the lower part a corresponding diagram of the curve of the supply voltage, the switching voltage of the relay and the current consumption of the motor for monitoring electronics is shown according to the prior art.
  • the motor to be monitored should be in an operating voltage range between 9 V and
  • Control voltage of the relay coil or the semiconductor switch switched from a 5 V potential to zero potential in order to switch off the motor.
  • the relay contacts switch over, whereby the relay is destroyed according to the state of the art, because a current of approx. 30 A still flows through the contacts.
  • the relay which can keep this current switched, but cannot switch off, it is destroyed because the relay generates sparks with extreme heat.
  • this destruction causes the generator voltage for the load dump test pulse to collapse due to the short-circuit current now flowing.
  • too high a voltage is also recognized after approx. 11 ms, after which the interruption is delayed by approx.
  • the delay element according to the invention can have a
  • Microprocessor programming or by means of a delay circuit which adds a further runtime to the inherent delay.
  • the invention is preferably used in control devices for controlling or monitoring window lifter and sunroof motors, but is also possible for any other electric motors or electrical or electronic circuits.

Landscapes

  • Control Of Direct Current Motors (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

Bei einem Überspannungspuls durch Lastabwurf eines Systems, z.B. des Bordnetzes eines Kfz, besteht das Problem, dass ein einen Verbraucher, z.B. den Elektromotor eines Fensterhebers, schaltendes Relais geschädigt werden kann, wenn zum Zeitpunkt des Auftretens der Überspannung der Verbraucher angesteuert ist, da der Motor im Moment des Spannungsanstiegs beschleunigt und dadurch eine stark erhöhte Stromaufnahme hat, welcher hohe Strom von dem Relais nicht sauber abgeschaltet werden kann. Erfindungsgemäß wird das Relais bei auftretender Überspannung verzögert abgeschaltet, so dass der Überstrom bereits wieder genügend abgeklungen ist.

Description

Überwachungselektronik für einen Elektromotor und Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Überwachungselektronik für einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6 aus.
Bei elektrischen Fensterhebern mit Elektronik bzw. einer Türsteuerelektronik in einem
Auto wird der Fensterhebermotor im Allgemeinen über ein Relais oder einen Halbleiterschalter angesteuert. Die Steuerung erfolgt über eine Ansteuerelektronik, die die Spulen des Relais bzw. die Halbleiterstufen ansteuert, um den Motorstrom ein- und auszuschalten sowie umzupolen. Ein Prinzipschaltbild einer solchen Ansteuerung ist in Figur 3 gezeigt. Hier ist ein Motor 1 mit einem beweglichen Schaltkontakt eines ersten
Schalters 2 und mit einem beweglichen Schaltkontakt eines zweiten Schalters 3 verbunden. Erste feste Kontakte des ersten Schalters 2 und des zweiten Schalters 3 sind jeweils mit der Versorgungsspannung Ubat verbunden und jeweilige zweite feste Kontakte des ersten Schalters 2 und des zweiten Schalters 3 sind mit der Fahrzeugmasse GND verbunden. Der Schaltkontakt des ersten Schalters 2 wird über eine erste Spule 4 umgeschaltet und der Schaltkontakt des zweiten Schalters 3 wird über eine zweite Spule 5 umgeschaltet. Im gezeigten Zustand ist der Schaltkontakt des ersten Schalters 2 mit dessen ersten festen Anschluss und somit mit der Versorgungsspannung Ubat verbunden. Der Schaltkontakt des zweiten Schalters 3 ist mit dessen zweiten festen Anschluss und somit mit Masse GND verbunden. Es folgt also, dass der Motor in eine bestimmte
Richtung läuft. Werden nun beide Schaltkontakte gleichzeitig umgeschaltet, so läuft der Motor in die andere Richtung und wird nur ein Schaltkontakt umgeschaltet, so wird der Motor abgeschaltet.
Der Motor 1 soll nur innerhalb eines bestimmten Betriebsspannungsbereichs arbeiten, z.B. im Bereich Ubat = 9 V bis 16 V. Außerhalb dieses Bereichs soll der Motor 1 , der z.B. ein Fensterhebermotor ist, nicht angesteuert werden bzw. laufende Bewegungen sollen gestoppt werden. Dies soll geschehen, da die Auslegung der Ansteuerelektronik und/oder des Motors 1 nur für diesen Betriebsspannungsbereich gilt und außerhalb nur eine eingeschränkte Belastbarkeit der Komponenten besteht. Dazu wird die Betriebsspannung Ubat von einer Überwachungselektronik permanent gemessen. Gleiches oder Ähnliches gilt neben dem Fensterhebermotor für die Ansteuerung anderer Motoren im Kfz, die von einer Elektronik kontrolliert werden.
Problematisch ist eine solche Überspannungs-Abschaltung eines laufenden Motors bei einer großen, schnell ansteigenden Überspannung, wie diese z.B. beim Load Dump vorliegt. Der Load Dump ist ein Testpuls, der vom Automobilhersteller vorgegeben ist und an allen Steuergeräten im Kfz getestet und von diesen bestanden werden muss. Er unterscheidet sich zwischen den einzelnen Automobilherstellern nur geringfügig. Es handelt sich z.B. um einen Spannungsanstieg um 21,5 V innerhalb von t < 10 ms, der zusätzlich zur Bordspannung ausgehalten werden muss. Ein solcher Load Dump Testpuls ist für ein 12 V und ein 42 V Bordnetz in Figur 2 gezeigt. Der Testpuls steigt beim 12 V Bordnetz innerhalb von t < 10 ms von der Bordspannung 13,5 V auf 35 V an, hält diese Spannung für 300 ms und fällt innerhalb von ca. 90 ms wieder auf die Bordspannung ab.
Beim 42 V Bordnetz ist der Anstieg von 42 V auf 58 V bei ansonsten gleichem Zeitverlauf.
Wenn während dieses Load Dumps der angesteuerte Elektromotor läuft, erkennt die Überwachungselektronik die Überspannung und schaltet den Motor nach einer kurzen
Reaktionszeit sofort ab. Hier ergibt sich nun das Problem, dass der Motor bei dem raschen Spannungsanstieg stark beschleunigt und dadurch auch der von diesem aufgenommene Strom kurzzeitig stark ansteigt. Die Abschaltung erfolgt nun bedingt durch die Reaktionszeit der Überwachungselektronik und die Relais-Abfallzeit, d.h. die Zeit der Stromabschaltung in der Relais-Spule und tatsächliche Unterbrechung des stromführenden Kontakts, in der Regel bei diesem stark überhöhten Strom. Aus diesem Grund müssen zum Schalten der verwendeten Elektromotoren große und robuste Relais vorzugsweise mit Z-Dioden als Freilauf für die Relais-Spulen eingesetzt werden.
Hierdurch entstehen jedoch unerwünschte Mehrkosten für die Überwachungselektronik und/oder die Ansteuerelektronik, da ein für den normalen Betriebsbereich des Motors dimensioniertes Relais nicht in der Lage ist, diesen hohen Strom abzuschalten und dabei aufgrund von Funkenbildung mit extremer Hitzeentwicklung im Relais zerstört wird. Die Schädigung des normal ausgelegten Relais erfolgt also aufgrund des hohen Stroms über die Kontakte im Abschaltmoment. Ähnliches gilt für einen für den normalen Betriebsbereich dimensionierten Halbleiterschalter, der durch seine Überlastung aufgrund einer extremen Hitzeentwicklung zerstört wird.
Vorteile der Erfindung
Nach der Erfindung ist die Überwachungselektronik für einen Elektromotor, die eine Versorgungsspannung des Elektromotors überwacht und eine Stromzufuhr an den Elektromotor nach einer systeminhärenten Reaktionszeit unterbricht, wenn die Versorgungsspannung über einem bestimmten oberen Grenzwert liegt, durch ein
Verzögerungselement gekennzeichnet, das den Beginn der Unterbrechung der Stromzufuhr zusätzlich um eine bestimmte Verzögerungszeit verzögert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors mit den Schritten: Überwachen einer Versorgungsspannung des Elektromotors, und Unterbrechen einer Stromzufuhr an den Elektromotor nach einer systeminhärenten Reaktionszeit, wenn die Versorgungsspannung über einem bestimmten oberen Grenzwert liegt, umfasst erfindungsgemäß den zusätzlichen Schritt des zusätzlichen Verzögerns eines Beginns der Unterbrechung der Stromzufuhr um eine bestimmte Verzögerungszeit.
Durch die erfindungsgemäße verzögerte Abschaltung des Relais bei Überspannung ist der entstehende Überstrom, der nur kurz anhält und dann schnell wieder abfällt, bereits wieder abgeklungen und das Relais schaltet einen geringeren Strom ab, da der erhöhte Strom nur so lange besteht, wie der Motor beschleunigt. Durch die Einhaltung der zusätzlichen Verzögerungszeit, bis das Relais abgeschaltet wird, ist der Strom also bereits so weit abgeklungen, dass es zu keiner Schädigung des Relais mehr kommt. Die Einhaltung dieser Wartezeit kann z.B. mit Hilfe einer entsprechenden Programmierung eines Mikroprozessors der Überwachungselektronik oder im Fall einer integrierten Ansteuer- und Überwachungselektronik für den Elektromotor durch diese integrierte Elektronik realisiert werden.
Nach einer bevorzugten Ausftihrungsform der Erfindung wird der Elektromotor über ein Relais oder einen Halbleiterschalter geschaltet. Erfindungsgemäß wird die Verzögerungszeit vorzugsweise so bestimmt, dass ein von dem Elektromotor aufgenommener Strom, der durch den Spannungsanstieg bedingt in einer Beschleunigungsphase ansteigt, nach Ablauf der Verzögerungszeit und der Reaktionszeit wieder unterhalb eines bestimmten Werts liegt. Dieser Wert ist so bestimmt, dass das als Schaltelement eingesetzte Relais oder der als Schaltelement eingesetzte Halbleiterschalter beim Abschalten auf keinen Fall zerstört oder geschädigt wird. In der Regel besteht die Randbedingung, den Motor schnellstmöglich abzuschalten.
Erfindungsgemäß liegt die Verzögerungszeit vorzugsweise zwischen 10 ms und 100 ms, weiter vorzugsweise zwischen 20 ms und 50 ms und noch weiter vorzugsweise bei 30 ms.
Die gewählte Verzögerungszeit ist vom Stromverlauf während des Pulses abhängig, welcher von dem Pulsvorlauf und den Motorkennwerten abhängt.
Wie zuvor schon angegeben, kann die erfindungsgemäße Überwachungselektronik in die
Ansteuerelektronik für einen Elektromotor integriert sein.
Zeichnung
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination oder als bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung bezeichnet. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßiger Weise auch einzeln betrachten und/oder zur sinnvollen weiteren Kombination zusammenfassen.
Es zeigen
Figur 1 ein Diagramm des Verlaufs der Versorgungsspannung, der Schaltspannung für das Relais und der Stromaufnahme des Motors für den Fall einer Relaisabschaltung nach der Erfindung und nach dem Stand der Technik;
Figur 2 einen Load Dump Testpuls; und Figur 3 eine Prinzipdarstellung der Ansteuerung eines Elektromotors mit Relais.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird im Bezug auf die Figur 1 das Schaltverhalten der erfindungsgemäßen Überwachungselektronik für einen Elektromotor im Vergleich zu dem einer Überwachungselektronik für einen Elektromotor nach dem Stand der Technik beschrieben. Im oberen Teil der Figur 1 ist ein Verlauf der Versorgungsspannung, der Schaltspannung des Relais und der Stromaufnahme des Motors nach der Erfindung dargestellt, während im unteren Teil ein entsprechendes Diagramm des Verlaufs der Versorgungsspannung, der Schaltspannung des Relais und der Stromaufnahme des Motors für eine Überwachungselektronik nach dem Stand der Technik dargestellt ist.
Der zu überwachende Motor soll in einem Betriebsspannungsbereich zwischen 9 V und
16 V arbeiten. Außerhalb dieses Bereichs soll der Motor nicht angesteuert werden bzw. laufende Bewegungen sollen gestoppt werden. Im Falle eines Load Dump Testpulses, wie er in Figur 2 gezeigt ist, ergibt sich der in beiden Teilen der Figur 1 gezeigte Anstieg der Versorgungsspannung. Daraus folgend ergibt sich ein Anstieg der Stromaufnahme des Motors, da dieser im Moment des Spannungsanstiegs beschleunigt und dadurch eine stark erhöhte Stromaufnahme hat. Die Versorgungsspannung überschreitet aufgrund des Load Dump Testpulses in den dargestellten Diagrammen etwa bei 1 1 ms eine Spannung von 16 V. Nach dem Stand der Technik wird ein Abschalten des Motorrelais oder des zum Schalten des Motors verwendeten Halbleiterschalters sofort eingeleitet und nach einer systeminhärenten Reaktionszeit von ca. 19 ms, d.h. bei 30 ms, wird die
Ansteuerspannung der Relaisspule bzw. des Halbleiterschalters von einem 5 V-Potential auf Nullpotential weggeschaltet, um den Motor abzuschalten. Nach einer Relais- Abfallzeit von ca. 5 ms schalten die Relaiskontakte um, wodurch nach dem Stand der Technik das Relais zerstört wird, denn durch die Kontakte fließt noch ein Strom von ca. 30 A. Das Relais, welches diesen Strom geschaltet halten kann, aber nicht abschalten kann, wird dadurch zerstört, da es im Relais zur Funkenbildung mit extremer Hitzeentwicklung kommt. Im unteren Teil der Figur 1 ist zu erkennen, dass durch diese Zerstörung die Generatorspannung für den Load Dump Testpuls aufgrund des nunmehr fließenden Kurzschlussstroms zusammenbricht. Nach der Erfindung wird, wie im oberen Teil der Figur 1 dargestellt, ebenfalls nach ca. 1 1 ms eine zu hohe Spannung erkannt, wonach eine Verzögerung der Unterbrechung um ca. 22 ms erfolgt, um dann die Abschaltung des Motors einzuleiten. Wie nach dem Stand der Technik werden jetzt ca. 19 ms benötigt, d.h. die systeminhärente Reaktionszeit, um die Schaltspannung des Relais umzuschalten, was nach ca. 52 ms erfolgt. Nach der Relais-Abfallzeit von ca. 5 ms wird die Stromzufuhr an den Motor unterbrochen. Zu diesem Zeitpunkt fließen nur noch ca. 20 A durch das Relais, wodurch dieses sauber abschalten kann ohne zerstört oder beschädigt zu werden.
Das erfindungsgemäße Verzögerungselement kann über eine
Mikroprozessorprogrammierung oder mittels einer Verzögerungsschaltung realisiert werden, welches der systeminhärenten Verzögerung eine weitere Laufzeit hinzufügt. Der Einsatz der Erfindung erfolgt vorzugsweise in Steuergeräten zur Ansteuerung bzw. Überwachung von Fensterheber- und Schiebedachmotoren, ist jedoch auch für jegliche andere Elektromotoren oder elektrische oder elektronische Schaltungen möglich.

Claims

Ansprüche
1. Überwachungselektronik für einen Elektromotor, die eine Versorgungsspannung des Elektromotors überwacht und eine Stromzufuhr an den Elektromotor nach einer systeminhärenten Reaktionszeit unterbricht, wenn die Versorgungsspannung über einem bestimmten oberen Grenzwert liegt, gekennzeichnet durch ein Verzögerungselement, das einen Beginn der Unterbrechung der Stromzufuhr zusätzlich um eine bestimmte Verzögerungszeit verzögert.
2. Überwachungselektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor über ein Relais oder einen Halbleiterschalter geschaltet wird.
3. Überwachungselektronik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit so bestimmt wird, dass ein von dem Elektromotor aufgenommener Strom, der durch den Spannungsanstieg bedingt in einer Beschleunigungsphase ansteigt, nach Ablauf der Verzögerungszeit und der Reaktionszeit wieder unterhalb eines bestimmten Werts liegt.
4. Überwachungselektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit 10 ms bis 100 ms, vorzugsweise 20 ms bis 50 ms, weiter vorzugsweise 30 ms beträgt.
5. Ansteuerelektronik für einen Elektromotor, gekennzeichnet durch eine Uberwachungselektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors, mit den folgenden Schritten: Überwachen einer Versorgungsspannung des Elektromotors, und Unterbrechen einer Stromzufuhr an den Elektromotor nach einer systeminhärenten Reaktionszeit, wenn die Versorgungsspannung über einem bestimmten oberen Grenzwert liegt, gekennzeichnet durch zusätzliches Verzögern eines Beginns der Unterbrechung der Stromzufuhr um eine bestimmte Verzögerungszeit.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor über ein Relais oder einen Halbleiterschalter geschaltet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit so bestimmt wird, dass ein von dem Elektromotor aufgenommener Strom, der durch den Spannungsanstieg bedingt in einer Beschleunigungsphase ansteigt, nach Ablauf der Verzögerungszeit und der Reaktionszeit wieder unterhalb eines bestimmten Werts liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit 10 ms bis 30 ms, vorzugsweise 20 ms bis 50 ms, weiter vorzugsweise 30 ms beträgt.
PCT/DE2004/001369 2003-07-10 2004-06-30 Überwachungselektronik für einen elektromotor und verfahren zur überwachung eines elektromotors WO2005008877A1 (de)

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