专利名称：控制由直流电压电网供电的电动机的方法
控制由直流电压电网供电的电动机的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制由直流电压电网供电的电动机、尤其是 由汽车的车载电网借助脉宽调制来供电的风扇电动机的方法，该电
动机能通过电动机电路中的执行机构能被连接到直流电压电网。在 这样的方法中公知的是，保护电动机电路的通常被构造为半导体开
关装置的执行机构免受过载。为此，例如在DE 34 33 538 C中说明 了一种电路装置，为了限制功率晶体管中的损耗功率，除了保护免受 过栽的器件之外，该电路装置还设置了负载电路中的分流器和其它 的开关元件，该其它的开关元件在不允许高的电流通过功率晶体管 时成为导通的，并且跨接该功率晶体管的控制段，以降低通过其主 电极的电流。可是，这样的电路装置是费事的和昂贵的，尤其是在 将贵的精密电阻用作电流分流器(Strommessshunt )方面是费事的 和昂贵的。
此外，在汽车技术中还公知，通过优选地在约20 kHz以上的不 可听见的频率范围中对电源电压计时来限制由车辆的车载电网供电 的直流电动机的功率消耗，其方式是通过改变电动机的电源电压的 脉宽比例来限制该电动机的端电压。由于正常运行的某个电动机的 功率消耗是已知的，所以在此为了控制直流电动机不作准备就直至 达到其最大转速的起动也能实现输出脉沖占空比的在时间上被控制 的斜升(zeitgesteuerte Rampe)。为了确保电动机的起动，在这 种情况下，输出脉冲占空比与直流电压电网中的电压瞬时高度无关 地在固定预定的占空比处开始，于是将该预定的占空比按照电动机 的所希望的加速度以斜升方式提高直至达到100%的占空比，并且因 此提高直至达到电动机的最大转速，电动机于是以该最大转速继续 运行。可是，这样的电动机控制一方面在低的电网电压的情况下不 保证电动机的安全起动，另一方面在提高的电网电压的情况下存在 着电路装置的电气器件过载的危险，尤其是电动机电路中的输出级 过载。
本发明所基于的任务是，以尽可能少的电路工作量， 一方面保证 电动才几的安全起动，而另一方面在直流电压电网的馈电电压的不同
的、可供使用的水平下，在所必需的加速持续时间和形成的损耗功 率方面优化电动机直至其最高转速的加速。
根据本发明，通过权利要求1的表征特征来解决上述任务。在这 种情况下，首先在已知功率消耗时，通过按照已知的电动机数据在 其高度上基本上固定预定的起动电压，在同时避免了器件过载的情 况下，尤其是在避免负载电路中的输出级过载的情况下，实现了电 动机的安全起动。通过用于提高电动机的脉宽调制过的电源电压的 占空比的、在时间上被控制的特性曲线预给定，该特性曲线预给定 与电网电压的高度无关，在该运行阶段达到了电动机的最优的加速 度，其中，在直流电压电网中的馈电电压高的情况下同时防止了过 栽。
如果在电动机首先较强烈地并且随后直至达到电动机的最高转 速的起动之后较小地上升地来控制电源电压，则还可以在减小损耗 功率的情况下改善电动机的加速阶段。电动机因此快速达到了较高 的转速，其中，同时在电动机的随后的加速范围中以緩慢上升的电 源电压和相应被减小的电流消耗的斜率来降低总损耗功率。在这种 情况下，控制电动机的电源电压的特性曲线被存放在控制单元中， 优选地被存放在微控制器中，该微控制器附加地承担了对直流电压 电网的电网电压高度的确定，并且按照预定的特性曲线针对电动机 的电源电压的所匹配的在时间上被控制的变化来提供用于电动机电 路中的执行机构的修正过的、脉宽调制过的控制电压。
根据用于执行本方法的电路装置的说明并且根据所属的电压变 化曲线和电流变化曲线得出了本发明方法的其它细节和有利的改进 方案。其中，
图1示出电路装置的方框电路图，该电路装置用于按照预定的特 性曲线与时间和电网电压有关地来控制直流电动机的电源电压，
图2示出直流电动机的被控制的电源电压的曲线图，和 图3示出电动机电流在按照图2中的曲线图来控制电动机的电源 电压时随着时间变化的曲线图。
在图1中用10表示与风扇耦合的电动机，如该电动机例如在汽 车被用于散热器通风那样。电动机10通过供电线路12与直流电压 电网(这里为汽车的车载电网)的正极14相连接。电动机10的第
二接线端通过供电线路16和在该实施例中为敏感(Sense) FET形式 的执行机构18 ;故连接到直流电压电网的接地极20。此外，电动机10 被自振荡二极管22跨接，该自振荡二极管22为了在电动机的电源 电路中的电流中断时抑制电压峰值而接收了电动机电流。用Um表示 施加在电动机上的电源电压，用I表示电动机馈电电路中的电流。
通过微控制器形式的控制单元24实现电动机10的控制装置，在 该控制单元24中，在根据图1的方框电路图中仅示出了模数转换器 26、特性曲线存储器28和具有集成的时钟脉沖频率发生器 (Taktfrequenzgeber )的脉宽调制器30。控制单元24 ;故连接在直 流电压电网的正极14与接地极20之间，并且在此同时监控电网直 流电压Ub的高度。控制单元24通过控制输入端32获得用于起动电 动机的起动信号33，控制输出端34为执行机构18提供了由PWM控 制装置30所产生的控制信号。该执行机构18在该实施例中被构造 为拥有附加的测量电极的敏感FET，借助该附加的测量电极来检测电 动机电流I的高度，并且将其提供给控制单元24的输入端36。在DE 103 26 785 A中说明了 一种这样的用于监控电动机电流的装置，尤
的装置，并且因此在此处不需要详细阐述该装置。
用于执行本发明方法的、在根据图1的方框电路图中示出的电路 装置如下来工作
可变化的直流电压Us施加在接线端14和20上，如直流电压Ub 例如在汽车的车载电网中出现的那样。在此，按照所连接的电池的 充电状态和维持状态(Erhaltungszustand )，并且按照其它的工作 条件和环境条件，额定直流电压为12 V的这样的车载电网的电压波 动在9 V和16 V的工作电压值之间。根据本发明应尽可能补偿这些 电压波动。为此，由控制单元24截取两个接线端38和40之间的电 网直流电压Ub，并且在A/D转换器26中为了进一步使用而将该电网 直流电压UB转换成数字信号。通过控制单元的控制输入端32上的起 动信号33来开始电动机10的起动。随着该起动信号，在控制单元 24的输出端34上，在短暂的第一时间间隔O-h上出现用于起动电 动机10的固定地预定的起动电压。通过PWM控制装置30的占空比 来确定起动电压的高度和针对执行机构18的随后的控制电压的高 度。该PWM控制装置30因此确定了执行机构18的接通持续时间， 并且因此确定了电动机电流I的大小。借助图2和3还详细阐述了 特性曲线的随时间变化的过程。
在以电动机10的恒定电压电源结束短暂的第 一时间间隔0-t!之 后，优选地线性提高控制电压的占空比，其中，根据电网直流电压Ub 的所测量的大小来选择该提高，以致在第二时间间隔t广L之后达到 了电动机10的电源电压UB的预定的高度，可是该预定的高度还明显
位于电动才几10的工作电压U3之下。
于是，在第三时间间隔t2-t3中优选地同样线性地、可是以相对 于上一段降低的斜率来进一步提高针对执行机构18的控制电压的占 空比，直至达到电动才几IO持续运行的工作电压U3。通过选择执行机 构18的控制电压的占空比，优选地将持续运行时的电压大小同样限 制到固定值上，例如在汽车的12 V的车载电网中限制到14 V的电 压值上。如果由于较低的电网电压UB而未达到该值，则100%的占空 比确定了电动机10的电源电压的高度。可是也可以在电网电压Ub 足够高时，选择性地允许电动机10的较高的持续运行电压，例如当 争取达到还更大的电动机的输出功率时允许16 V的电源电压Ub。
根据本发明的用于在时间上被控制地、补偿电压波动地控制迄今 所述形式的直流电动机10的方法仅通过电源电压的斜率的大小来对 电动机电流的高度施加影响。在此，首先不考虑不允许高的电流上 升，诸如在堵转电动机时或在难于运转时可能出现的那样。可是， 该问题在原理上是公知的，并且例如根据在DE 103 26 785 A中所 述的电路装置来解决，其中，同样借助被用作执行机构18的敏感FET 来监控电动机电流的斜率及其绝对高度，并且在需要时限制电动机 电流的斜率及其绝对高度。即使在本申请主题中，除了本发明的控 制装置以外也能利用这样的电流限制装置，其中，该电流限制装置 以在敏感FET中能达到的测量精度至少足于在过载情况下或在堵转 情况下监控电动才几电流。此外，在上述的电动才几10正常运4亍时，预 定了电动机的电源电压的变化梯度，并且将该变化梯度对准在预定 时刻U、 t2、 t3达到某些电压值U" U2、 U3。可是，替代于此地，在 本发明方法中，借助作为执行机构18的敏感FET，通过测量电动扭i 电流也能根据电动机电流I的测量在某些时刻或持续地匹配电源电
压的变化梯度。
在图2中示出施加在电动机IO上的电源电压UM作为时间的函数 的变化过程。电动机电压在此对应于执行机构18的控制电压的、被 存放在控制单元24的特性曲线存储器28中的特性曲线。该曲线图 示出由汽车的12 V车载电网给风扇电动机供电的特性曲线。在这种 情况下，直至时刻t"在0. 25秒的持续时间期间将电动机10的电 源电压Um恒定地保持在2. 6 V的值lh上。此后，直至时刻t2，电动 机10上的电压Um在4秒之内线性上升到10 V的值U2上，以便随后 直至时刻t3在10秒之后以线性的、可是减小的斜率达到预定的14 V 的工作电压lh。随后将该工作电压保持恒定。
在图3中示出了在根据图2的施加在电动机10上的电源电压Um 处出现的电动才几电流I。从该图中可以看出，电动才几电流I从静止状 态下的约28 A的值1。出发，在具有恒定的电源电压仏的起动阶段期 间，首先直至时刻h下降到约22 A的值L上，以便此后以指数方式 在时刻t2上升到约36 A的值12上。电动机电流I随后由于存储在电 动机中的动能而在电源电压UM的斜率减小时首先稍微下降，并且接 着直至时刻t3在达到工作电压时上升到约48 A的值13上。在加速阶 段结束之后，持续运行时流动的电动机电流In稍微较低地为约45 A。 汽车的这样的风扇电动机的额定转速为约3000至4000 U/min。在系 统的14 V的额定电压下，在10秒之后达到该额定转速。在这种情 况下，在施加具有4艮据图2所折弯的特性曲线的电源电压UM时，电 动机的总损耗功率低于在选择具有在起动电压lh和工作电压lh之间 保持不变的斜率的电源电压UM时的损耗功率，因为显著减少了在较 高的电动机电流和电压的范围中的损耗。
在图1中示出的电动机控制装置的方框电路图没有示出通常的 附加的器件，诸如没有示出用于去干扰的扼流圏和电容器或者在错 误地连接到直流电压电网时防止极性倒转4呆护(Verpolschutz )的 电路措施，该电动机控制装置用于针对由具有波动的电压Ub的直流 电压电网供电的电动机IO执行根据本发明的控制方法。此外，为了 实现更清晰的图示，没有示出用于在堵转或难于运转的情况下保护 电动机10的公知的措施，同样如控制单元24 (诸如用于产生脉宽调 制器30等的时钟脉沖频率的谐振器)的公知的组件那样。
由于感兴趣类型的电动机在某个最低电压下才起动，所以公知的 是，立即在起动时将该最低电压施加到电动机上。可是，不同于公 知的控制装置，在本发明方法中，与瞬时的电网电压无关地定义了 对于安全起动电动机所必要的最低电压。在按照与直流电压电源Ub 的瞬时高度有关的、控制电压的占空比将电源电压Um的至少一个在 时间上被控制的、优选地线性的斜升施加到电动机上之前，在预定
的时间间隔上将该最低电压保持恒定。电动机10的电源电压Um可以 借助微控制器控制单元24以软件方式利用微小的工作量通过改变占 空比来实现。
因此首先通过测量电网电压Ub并且通过与此有关地调节针对执 行机构18的控制电压的占空比，在0-h的时间间隔上以恒定的高度 提供起动电压。在其中没有提高起始电压的时间间隔中，用于故障 识别和故障反应的等待时间对于堵转识别是允许的。可以接受必要 时出现的、已知高度的堵转电流，该堵转电流不超过针对执行机构 18的输出级允许的值。另一方面，通过在起动电动机10时的电源电 压lh的预定的高度和持续时间，安全地克服了在起动时出现的静摩 擦。附加地可以在小的电网电压下实现较快的电动才几加速。由此在 电动才几10的大的电源电压U「U3下避免了 ，电动才几电流I和因此输 出级负栽在预定的加速时间下变得太大。
通过提供电源电压Um的两个上升斜升实现了 ，电动机电流具有 与比较小的波动和偏离线性斜率，在这两个上升斜升中，在t2到t3 之间的范围中的第二斜升比在h至t2的范围中的第一斜升具有更小 的斜率，其中，尤其是在高电流和电压的范围中避免了电流曲线的 剧烈上升，并且因此总体降低了损耗功率。
权利要求
1.一种用于控制由直流电压电网供电的电动机、尤其是由汽车的车载电网借助脉宽调制来供电的风扇电动机的方法，该电动机通过电动机电路中的执行机构能被连接到直流电压电网，其特征在于，基本上与直流电压电网(14，20)的馈电电压(UB)的波动无关地，按照预定的特性曲线来在时间上控制所述电动机(10)的电源电压(UM)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在短暂的第一时间 间隔(h)上将在起动电动机(10)时的电源电压(Um)恒定地保持 在预定的值(UO上。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第二时间 间隔(t广tO上，优选地线性上升地控制起动电动机(10)之后的 电源电压(Um),直至达到在电动机(10)的电源电压(Um)的工作 值(UO之下的第二预定值(UO 。
4. 根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在达到了 第二预定值(UO之后，以相对于上一时间段(t2-tO减小的、优选 地线性的斜率进一步提高电动机(10)的电源电压(Um),直至达到 电动机(10)的工作电压值(UO ,并且随后将电源电压(Um)保持 恒定。
5. 根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在控制单 元(24)中存放电动机(10)的电源电压(Um)的特性曲线，该控制 单元(24)监控直流电压电网(14, 20)的电网电压(Ub)的高度， 并且按照所述特性曲线(Um = f (t))为电动机电路中的执行机构U8)提供修正过的、脉宽调制过的控制电压(34)。
6. 根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，敏感FET 用作电动才几电路中的执4亍才几构(18)。
7. 根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，测量电源 电压(Um)的特性曲线段的斜率和持续时间(t广t2-tO ,以致在可 预定的时间间隔(tO之内达到电动才几(10)的可预定的工作电压和 /或工作转速。
8. 根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，以软件方 式控制电动机(10)的电源电压(Um)的脉宽调制(PWM)的占空比。
9. 根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，与电网电 压(Ub)的相应高度无关地，将电动机(10)的电源电压(Um)的变 化梯度对准到固定的最大值(U2， t2; lh, t3)上。
10. 根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在可预 定的时刻测量电动机电流(I )的大小，并且按照所述电流(I )的 测量值匹配电动机(10)的电源电压(Um)的变化梯度。
全文摘要
建议了一种用于控制由直流电压电网(14，20)供电的电动机(10)的方法，尤其是一种用于控制由汽车的车载电网借助脉宽调制来供电的风扇电动机的方法，该电动机通过电动机电路中的执行机构(18)能被连接到直流电压电网。在这种情况下，基本上与直流电压电网的供电电压(U<sub>B</sub>)的波动无关地，按照预定的特性曲线来在时间上控制电动机(10)的电源电压(U<sub>M</sub>)。
文档编号H02P1/04GK101185233SQ200680018313
公开日2008年5月21日 申请日期2006年4月18日 优先权日2005年5月25日
发明者P·卡勒斯, S·科克, V·卢克 申请人:罗伯特·博世有限公司