CIRCUIT ARRANGEMENT FOR MEASURING THE CURRENT CONS

󰀄󰀛&󰀋󰀋󰀍󰀋󰀏󰀏󰀑󰀓󰀍󰀘󰀌󰀄

(11)

EP2 044 682B1

(12)

EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(51)Int Cl.:

H02P7/24(2006.01)Hinweises auf die Patenterteilung: 09.06.2010Patentblatt2010/23

(45)Veröffentlichungstag und Bekanntmachung des

(86)Internationale Anmeldenummer:

PCT/EP2007/056638

(21)Anmeldenummer: 07765756.7(22)Anmeldetag: 02.07.2007

(87)Internationale Veröffentlichungsnummer:

WO2008/006727 (17.01.2008Gazette2008/03)

(54)SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR MESSUNG DER STROMAUFNAHME EINES DURCH

PULSWEITENMODULATION GESTEUERTEN GLEICHSTROMMOTORS

CIRCUIT ARRANGEMENT FOR MEASURING THE CURRENT CONSUMPTION OF A PULSE-WIDTH MODULATION-CONTROLLED DIRECT-CURRENT MOTOR

CIRCUITERIE DE MESURE DE LA CONSOMMATION DE COURANT D’UN MOTEUR À COURANT CONTINU COMMANDÉ PAR MODULATION D’IMPULSIONS EN DURÉE(84)Benannte Vertragsstaaten:

DE FR GB

(72)Erfinder:

•KOCH, Stefan

77876 Kappelrodeck (DE)•KAHLES, Patric77815 Buehl (DE)

(30)Priorität:14.07.2006DE 102006032737(43)Veröffentlichungstag der Anmeldung:

08.04.2009Patentblatt2009/15

(56)Entgegenhaltungen:

WO-A-2004/086601JP-A- 4 172 984

DE-A1- 4 329 919JP-A- 2000 080 858

(73)Patentinhaber: Robert Bosch GmbH

70442 Stuttgart (DE)

EP2 044 682B1Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischenPatents im Europäischen Patentblatt kann jedermann nach Maßgabe der Ausführungsordnung beim EuropäischenPatentamt gegen dieses Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebührentrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).

Printed by Jouve, 75001 PARIS (FR)

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BeschreibungStand der Technik

[0001]Die Erfindung geht aus von einer Schaltungs-anordnung zur Messung der Stromaufnahme einesdurch Pulsweitenmodulation gesteuerten, aus einemGleichspannungsnetz gespeisten Gleichstrommotors,insbesondere eines Antriebsmotors für das Kühlgebläseeines Kraftfahrzeuges, nach der Gattung des Anspruchs1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der WO2004/030173 A1 bekannt, wobei als Halbleiterschaltein-richtung ein Current-Sense-FET dient, welcher auf derLow-Side der Schaltungsanordnung zwischen demGleichstrommotor und dem Massepol des Gleichspan-nungsnetzes angeordnet ist. Zur Auswertung der Sense-Signale des Sense-FET dient ein Komparator oder Ope-rationsverstärker, dessen nicht invertierender Eingangan einer festen Bezugsspannung liegt und dessen Aus-gangsimpulse als Maß für die Größe des Motorstromesin einem nachgeschalteten Mikrocontroller gezählt wer-den. Das Eingangssignal wird hierbei durch den motor-stromproportionalen Spannungsabfall an einem soge-nannten Sensewiderstand gebildet. Eine Schaltung zumAuswerten der Signale eines Current-Sense-Fet wird imDokument DE 4329919 beschrieben.Offenbarung der Erfindung

[0002]Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnungmit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs ist ge-genüber dem vorgenannten Stand der Technik insofernvorteilhaft, als die mit zusätzlichen Kosten verbundeneErzeugung einer negativen Versorgungsspannung fürEinrichtung zur Stromauswertung entfällt und der Motorim Stillstand spannungslos ist. Außerdem kann die Mess-genauigkeit der Schaltungsanordnung gegenüber derAuswertung der Sense-Signale über einen SenseWider-stand deutlich erhöht werden, wobei es zweckmäßig ist,wenn der Messstrom-Anschluss (IS) des Sense-FET mitdem invertierenden Eingang des Operationsverstärkersund der Kelvin-Anschluss (KS) mit dem nicht invertieren-den Eingang des Operationsverstärkers über einen Filterverbunden sind und der Ausgang des Operationsverstär-kers auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppeltist.

[0003]Hinsichtlich der Auswertung des Ausgangssi-gnals des Operationsverstärkers ist es vorteilhaft, wenndieses tiefpassgefiltert als integriertes Mittelwertsignaleinem Analog/Digital (A/D)-Eingang eines als Steuerein-heit dienenden Mikrocontrollers zugeführt wird. Für dieBereitstellung der Versorgungsspannung des Operati-onsverstärkers hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenndiese über eine Ladungspumpe aus den Ansteuersigna-len des Sense-FET gewonnen wird. Die Höhe dieser Si-gnale liegt über der Versorgungsspannung der Schal-tungsanordnung und kann daher nach einer Gleichrich-tung und Glättung vorteilhaft für die Spannungsversor-

gung des Operationsverstärkers genutzt werden. Statt-dessen kann jedoch auch die Spannung des Gleichspan-nungsnetzes direkt oder auch eine getrennte Span-nungsquelle benutzt werden, welche die Versorgungs-5spannung für den Operationsverstärker aus derNetzspannung über eine Ladungspumpe liefert.

[0004]Für den Betrieb der Halbleiter-Schalteinrich-tung ist es wichtig, diese vor Spannungsspitzen beim Ab-schalten des Motors zu schützen. Hierzu ist es vorteilhaft,10eine Freilaufschaltung für den Motor mit einer Verpol-schutzeinrichtung zu kombinieren, so dass die Schal-tungseinrichtung gleichzeitig und ohne nennenswertenMehraufwand gegen eine Verpolung beim Anschlussdes Gleichspannungsnetzes geschützt ist.15Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0005]Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in derZeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Be-20schreibung näher erläutert.

[0006]Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zurÜberwachung der Stromaufnahme eines aus dem Bord-netz eines Kraftfahrzeuges gespeisten Antriebsmotorsfür das Kühlgebläse des Fahrzeuges.25Ausführungsform der Erfindung

[0007]In der Figur ist mit 10 ein Kühlgebläse einesKraftfahrzeuges bezeichnet, welches als Antriebsmotor30einen durch Pulsweitenmodulation gesteuerten Gleich-strommotor M besitzt, der über eine Halbleiterschaltein-richtung in Form eines Current-Sense-FET 12 an einGleichspannungsnetz mit der Spannung U zwischen ei-nem Pluspol 14 und einem an Masse liegenden Minuspol3516 angeschlossen ist. Die Elektroden des Sense-FETsind mit G (Gate), D (Drain), S (Source), KS (Kelvin Sour-ce) und IS (Messstrom-Source) bezeichnet.

[0008]Am Eingang der Schaltungsanordnung liegt dieReihenschaltung eines Elektrolytkondensator 18, einer40Drossel 20 und eines invers betriebenen n-Kanal-MOS-FET mit einer integrierten Diode 24, welche eine Glät-tungseinrichtung für die Versorgungsspannung U und ei-nen Verpolschutz gegen Vertauschung der Plus- und Mi-nus- Anschlüsse des Gleichspannungsnetzes bilden.45Die Drossel 20 und der MOS-FET 22 liegen gleichzeitigim Freilaufkreis des Motors M in Reihe mit einer Freilauf-einrichtung 26, welche zwischen dem Kondensator 18und der Drossel 20 angeschlossen ist. Die integrierte Di-ode 24 des MOS-FET 22 liegt in Durchlassrichtung zwi-50schen dem Pluspol 14 und dem Minuspol 16 des Gleich-spannungsnetzes.

[0009]Als Steuereinheit 28 für den Current-Sense-FET 12 dient ein Mikrocontroller, welcher an einem Ein-gang 30 ein Steuersignal für die der Solldrehzahl nsoll55entsprechende Motorspannung und an einem Analog/Digital-Eingang 32 das aufbereitete Messsignal UIS desSense-FET 12 erhält. Ein Ausgang 34 des Mikrocontrol-lers steuert mittelbar über einen Spannungsumsetzer 60

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mit einer Frequenz von cirka 18kHz den Sense-FET 12.Ein Ausgang 36 schaltet bei richtiger Polung der An-schlüsse 14,16 des Gleichspannungsnetzes den MOS-FET 22 dauerhaft ein. Die Gate-Elektrode G des Sense-FET 12 kann zusätzlich durch eine Schutzbeschaltungaus einem Widerstand 38 und einer Zehnerdiode 40 ge-gen Überspannungen geschützt werden.

[0010]Die Aufbereitung des dem Motorstrom I ent-sprechenden Sense-Signals UIS erfolgt durch einenOperationsverstärker 42, dessen invertierender Eingangmit dem Messstrom-Anschluss IS und dessen nicht in-vertierender Eingang mit dem Kelvin-Anschluss KS desCurrent-Sense-FET 12 über einen Filter 70 verbundensind. Der Ausgang des Operationsverstärkers 42 ist übereinen Widerstand 44 auf seinen invertierenden Eingangrückgekoppelt und liegt außerdem über einem Span-nungsteiler aus zwei Widerständen 46 und 48 am Mas-seanschluss 16 des Gleichspannungsnetzes. Dem Wi-derstand 48 ist ein Kondensator 50 parallel geschaltet,welcher mit dem Widerstand 46 zusammen einen Tief-pass bildet zum Abgriff eines integrierten Mittelwertsi-gnals der Messspannung UIS, die dem Eingang 32 derSteuereinheit 28 als Analogsignal zugeführt wird. DieSpannungsversorgung des Operationsverstärkers 42 er-folgt dabei über eine Gleichrichter- und Glättungseinrich-tung 52, welche an den Signalausgang 34 der Steuer-einheit 28 angeschlossen ist und über den Spannungs-umsetzer 60 aus dieser Signalspannung die Speise-spannung des Operationsverstärkers 42 erzeugt. Wahl-weise, jedoch nicht zur Erfindung gehörend, kann dieVersorgungsspannung für den Operationsverstärker 42auch aus dem Gleichspannungsnetz 14,16 erzeugt wer-den, wobei der positive Versorgungsanschluss des Ope-rationsverstärkers 42 entweder direkt oder über einenSpannungsumsetzer 54 mit dem Pluspol 14 des Gleich-spannungsnetzes U verbunden wird. Alle genannten Va-rianten sind in der Zeichnung dargestellt. Der negativeVersorgungsanschluss des Operationsverstärkers 42 istmit der Masseleitung und dem Minuspol 16 des Gleich-spannungsnetzes verbunden.

[0011]Die Schaltungsanordnung arbeitet folgender-maßen:

[0012]Am Eingang 30 der Steuereinheit 28 wird einSollwert für die Motorspannung vorgegeben entspre-chend einem Sollwertsignal nsoll für das Kühlgebläse 10zur Bereitstellung der benötigten Kühlluftleistung, bezie-hungsweise der zur Erzeugung der Luftleistung benötig-ten Spannung des Motors M. Die Steuereinheit 28 liefertdementsprechend über ihren Ausgang 34 die Steuerim-pulse für das Gate des Sense-FET 12.

[0013]Der Operationsverstärker 42 erhält über dasFilter 70 an seinem nicht invertierenden Eingang von derKelvin-Source KS des Sense-FET 12 ein Spannungssi-gnal entsprechend dem Source Potential des Sense-FET und an seiner invertierenden Elektrode ein Sense-Signal proportional zum Motorstrom I. Durch die Rück-koppelung des Operationsverstärkers 42 über den Wi-derstand 44 liegt am Ausgang des Operationsverstär-

510kers 42 das Messspannungssignal UIS = -IS RS, wobeiIS den anteiligen Sensestrom des Motorstromes I undRS den Rückkoppelungswiderstand 44 bezeichnet. Die-ses Messspannungssignal UIS liegt anteilig entspre-chend der Größe der Widerstände 46 und 48 an demKondensator 50 an und wird als integriertes Mittelwert-signal dem A/D-Eingang der Steuereinheit 28 als Mess-größe für den Motorstrom I zugeführt.

[0014]Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnungliefert mit verhältnismäßig geringem Schaltungsaufwandein präzises Messsignal und erlaubt eine sehr schnelleund sichere Überwachung des Motorstromes I, insbe-sondere für den Fall einer Schwergängigkeit oder einesBlockierens des Kühlgebläses 10.

15Patentansprüche1.

2025303540Schaltungsanordnung zur Messung der Stromauf-nahme eines durch Pulsweitenmodulation gesteu-erten, aus einem Gleichspannungsnetz (14, 16) ge-speisten Gleichstrommotors (M), insbesondere ei-nes Antriebsmotors für das Kühlgebläse (10) einesKraftfahrzeuges, mit einer in Reihe mit dem Motor(M) liegenden Halbleiterschalteinrichtung mit einemCurrent-Sense-FET (12) als Schaltelement, wobeider Sense-FET (12) im Strompfad zwischen demPluspol (14) des Gleichspannungsnetzes (14,16)und dem Motor (M) angeordnet ist, und die Sense-Elektroden (KS,IS) des Sense-FET (12) über ein Fil-ter (70) mit den Eingängen eines Operationsverstär-kers (42) verbunden sind, dessen Ausgangssignal(UIS) über eine Steuereinheit (28) und einen Span-nungsumsetzer (60) ein Steuersignal für die Gate-Elektrode (G) des Sense-FET (12) liefert, dadurchgekennzeichnet, dass die Versorgungsspannungdes Operationsverstärkers (42) über einen Span-nungsumsetzer (60) und eine Glättungseinrichtung(52) aus den Ansteuersignalen des Sense-FET (12)gewonnen wird.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die Messstrom-Elektrode(IS) des Sense-FET (12) mit dem invertierenden Ein-gang und die Kelvin-Elektrode (KS) des Sense-FET(12) mit dem nicht invertierenden Eingang des Ope-rationsverstärkers (42) verbunden sind und der Aus-gang des Operationsverstärkers (42) auf seinen in-vertierenden Eingang rückgekoppelt ist.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da-durch gekennzeichnet dass das Ausgangssignal(UIS) des Operationsverstärkers (42) tiefpassgefil-tert an die Steuereinheit (28) geliefert wird.Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurchgekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (UIS)des Operationsverstärkers (42) einem A/D-Wand-

2.

45503.

554.

3

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ler-Eingang (32) der Steuereinheit (28) als integrier-tes Mittelwertsignal zugeführt wird.5.

Schaltungsanordnung nach einem der vorherge-henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Versorgungsspannung des Operationsver-stärkers (42) der Netzspannung (U) des Gleichspan-nungsnetzes (14,16) entspricht.

6.

Schaltungsanordnung nach einem der vorherge-henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass der Sense-FET (12) durch eine mit einer Ver-polschutzeinrichtung (22) gekoppelte Freilaufschal-tung (26) für den Gleichstrommotor (M) geschützt ist.

Claims1.

Circuit arrangement for measuring the current con-sumption of a DC motor (M) controlled by pulse widthmodulation and supplied from a DC voltage system(14, 16) in particular of a drive motor for the coolingfan (10) of a motor vehicle, comprising a semicon-ductor switching device - disposed in series with themotor (M) - with a current sense FET (12) as switch-ing element, the sense FET (12) being arranged inthe current path between the positive pole (14) ofthe DC voltage system (14, 16) and the motor (M),and the sense electrodes (KS,IS) of the sense FET(12) being connected via a filter (70) to the inputs ofan operational amplifier (42), the output signal (UIS)of which supplies, via a control unit (28) and a voltageconverter (60), a control signal for the gate electrode(U) of the sense FET (12), characterized in thatthe supply voltage of the operational amplifier (42)is obtained from the drive signals of the sense FET(12) by means of a voltage converter (60) and asmoothing device (52).

2.

Circuit arrangement according to Claim 1, charac-terized in that the measurement current electrode(IS) of the sense FET (12) is connected to the invert-ing input and the Kelvin electrode (KS) of the senseFET (12) is connected to the non-inverting input ofthe operation amplifier (42) and the output of the op-erational amplifier (42) is coupled with feedback tothe inverting input thereof.

3.

Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, char-acterized in that the output signal (UIS) of the op-erational amplifier (42) is supplied to the control unit(28) after having been subjected to low-pass filtering.4.

Circuit arrangement according to Claim 3, charac-terized in that the output signal (UIS) of the opera-tional amplifier (42) is fed to an A/D converter input(32) of the control unit (28) as an integrated averagevalue signal.

5.

Circuit arrangement according to any of the preced-ing claims, characterized in that the supply voltageof the operational amplifier (42) corresponds to thesystem voltage (U) of the DC voltage system (14, 16).56.

Circuit arrangement according to any of the preced-ing claims, characterized in that the sense FET(12) is protected by a freewheeling circuit (26) forthe DC motor (M), said freewheeling circuit being10coupled to a polarity-reversal protection device (22).

Revendications

151.

Circuit de mesure du courant consommé par un mo-teur à courant continu (M) commandé par modula-tion de la largeur des impulsions et alimenté par unréseau (14, 16) à tension continue, en particulier dumoteur d’entraînement du ventilateur de refroidisse-20ment (10) d’un véhicule automobile, le circuit pré-sentant

un dispositif de commutation à semi-conducteur rac-cordé en série sur le moteur (M) et doté d’un FET(12) de détection de courant qui sert d’élément de25commutation,

le FET (12) de détection étant disposé dans le par-cours de courant qui relie le pôle positif (14) du ré-seau (14, 16) à tension continue et le moteur (M),les électrodes de détection (KS, IS) du FET (12) de30détection étant reliées par l’intermédiaire d’un filtre(70) aux entrées d’un amplificateur opérationnel (42)dont le signal de sortie (UIS) délivre par l’intermédiai-re d’une unité de commande (28) et d’un convertis-seur de tension (60) un signal de commande de35l’électrode de grille (G) du FET (12) de détection,caractérisé en ce que

la tension d’alimentation de l’amplificateur opéra-tionnel (42) est obtenue par l’intermédiaire d’un con-vertisseur de tension (60) et d’un dispositif de lissage40(52) à partir des signaux de commande du FET (12)de détection.

2.

Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ceque l’électrode (IS) de courant de mesure du FET45(12) de détection est reliée à la borne inversante etl’électrode Kelvin (KS) du FET (12) de détection àl’entrée non inversante de l’amplificateur opération-nel (42) et en ce que la sortie de l’amplificateur opé-rationnel (42) rétroagit sur son entrée inversante.503.

Circuit selon les revendications 1 ou 2, caractériséen ce que le signal de sortie (UIS) de l’amplificateuropérationnel (42) subit un filtrage passe-bas avantd’être délivré à l’unité de commande (28).

554.

Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ceque le signal de sortie (UIS) de l’amplificateur opé-rationnel (42) est amené à l’entrée (32) d’un conver-

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tisseur A/N de l’unité de commande (28) sous la for-me d’un signal de valeur moyenne intégrée.5.

Circuit selon l’une des revendications précédentes,caractérisé en ce que la tension d’alimentation del’amplificateur opérationnel (42) correspond à la ten-sion (U) du réseau (14, 16) à tension continue.6.

Circuit selon l’une des revendications précédentes,caractérisé en ce que le FET (12) de détection estprotégé par un circuit (26) de fonctionnement à videdu moteur (M) à courant continu couplé à un dispo-sitif (22) de protection contre les inversions de pola-rité.

5101520253035404550555

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IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommenund ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; dasEPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente•

WO 2004030173 A1 [0001]

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DE 4329919 [0001]

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