DE10115675A1 - Verfahren zum Betreiben eines Motors sowie Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motors, insbesondere zum Schutz des Motors, sowie Verwendung dieses Verfahrens. DOLLAR A Motore (4), insbesondere Gleichstrommotore von Stellantrieben, werden unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen betrieben, bei denen unterschiedliche Temperaturen vorliegen, unterliegen einer hohen thermischen Belastung, die bekanntermaßen durch einen in der Nähe des Motors (4) befindlichen Temperatursensor gemessen wird. Diese Messung ist jedoch ungenau und kann neben kritischen Situationen auch zur Zerstörung des Motors (4) führen, da keine konkrete Aussage über die aktuelle Verlustleistungsaufnahme des Motors (4) getroffen wird. DOLLAR A Hiergegen sieht die vorliegende Idee vor, aus einem gemessenen aktuellen Motorstrom (I¶M¶) und der am Motor (4) anliegenden Speisespannung (U¶M¶) die aktuelle Leistungsaufnahme (P¶AKT¶) des Motors (4) zu ermitteln, um daraus indirekt auf eine Wicklungstemperatur schließen zu können. Dazu wird der rechnerisch ermittelte aktuelle Leistungswert (P¶AKT¶) mit einer für die aktuelle Umgebungstemperatur (TU¶AKT¶) vorab empirisch ermittelten maximal zulässigen Grenzleistung (P¶MAX¶) des Motors (4) verglichen. Weiterhin werden in einer besonderen Ausführung eine vorherige, d. h. in der Vergangenheit liegende Belastung als auch eine absolute Höhe der Überlastung des Motors (4) mit berücksichtigt, die sich in einem Korrekturterm (K) widerspiegeln. Mit diesem Korrekturterm (K) wird ein aus dem Vergleich zwischen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motors, insbesondere zum Schutz des Motors, sowie Verwendung dieses Verfahrens.

Motore, insbesondere Gleichstrommotore von Stellantrieben, werden unter unter­ schiedlichen Umgebungsbedingungen betrieben, bei denen unterschiedliche Temperaturen vorliegen. Dabei erwärmt sich der Motor nicht nur auf Grundlage der Umgebungstemperaturen, sondern auch durch den eigentlichen Betrieb unter Last.

Es ist bekannt, die Umgebungstemperatur des Motors mit Hilfe eines Temperatur­ sensors zu messen und den Motor dann abzuschalten, wenn der gemessene Wert einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Diese Abhängigkeit ist jedoch ungenau und gibt nicht die wirkliche Motortemperatur wieder, insbesondere nicht dessen Wicklungstemperatur. Dadurch kann es trotzdem zur Überhitzung und zum Ausfall des Motors kommen.

In der nicht vorveröffentlichten DE 100 40 080 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Stellmotors offenbart, bei dem die Wicklungstemperatur aus Paramtern des Motors berechnet wird. Überschreitet die errechnete Wicklungstemperatur einen vorgegebenen Grenzwert, wird die Leistungszufuhr zum Motor kurzzeitig unter­ brochen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein gleichfalls effektives Verfahren zum Betreiben des Motors aufzuzeigen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, aus einem gemessenen aktuellen Motor­ strom und der am Motor anliegenden Speisespannung die aktuelle Leistungsauf­ nahme (Verlustleistung) des Motors zu ermitteln, um daraus indirekt auf eine Wicklungstemperatur schließen zu können. Mit Kenntnis der aktuellen ("indirek­ ten") Wicklungstemperatur kann dann eine Schutzfunktion für den Motor ausge­ löst werden.

Der rechnerisch ermittelte aktuelle Leistungswert wird mit einer für die aktuelle Umgebungstemperatur vorab empirisch ermittelten maximal zulässigen Grenzlei­ stung des Motors verglichen, wobei der resultierende Verlustleistungsvergleichs­ wert (Verlustleistungswert) vorzugsweise als Differenzwert zwischen dem errech­ neten Leistungswert und dem empirisch ermittelten Grenzwert gebildet wird. Die empirisch ermittelten maximal zulässigen Grenzleistungen werden bei einer konstanten, vorzugsweise der höchstmöglichen Wicklungstemperatur eines Mo­ tors bestimmt, wobei die Umgebungstemperatur variiert wird und die Meßwerte in einem Speicher, beispielsweise in Form einer Kennlinie mittels Stütztabellen, o. ä. hinterlegt werden.

In Weiterführung des erfinderischen Gedankens werden eine vorherige, d. h. in der Vergangenheit liegende Belastung als auch eine absolute Höhe der Überlastung des Motors beim Betreiben des Motors mit berücksichtigt. Dazu werden in einer einfachen Ausführung die aus dem Vergleich resultierenden Verlustleistungswerte stetig aufsummiert und laufend mit einem oberen festgelegten weiteren Grenzwert verglichen. Erst wenn dieser Grenzwert überschritten wird, erfolgt ein Abschalten des Motors und damit ein Wirksamwerden einer Schutzfunktion.

Unter der Berücksichtigung, daß bei niedrigen Belastungen die Summe der resul­ tierenden Verlustleistungswerte einen negativen Wert ergeben, der über einen längeren Zeitraum beliebig groß werden kann, so daß ein große negative Summe gebildet wird, werden in einer Weiterführung der Erfindung nur positive Summen zugelassen, um eine anschließende hohe Belastung des Motors richtig wiederzu­ geben. Diese Vorgabe kann gewählt werden, da Werte kleiner "0" eine Überla­ stung ausschließen. Gleichzeitig wird mit dieser Maßnahme vermieden, daß bei längerer aktueller Überlastung nach einer längeren Normalbelastung der Motor bereits in einer kritischen Phase sein kann, ohne daß das Schutzverfahren diese Phase erkennt. Durch diese Begrenzung fehlen jedoch Informationen aus der Vergangenheit bei einer niedrigen Motorbelastung. Da die zurückliegende Bela­ stung aber einen wesentlichen Einfluß auf die Motortemperatur (Wicklungstempe­ ratur) hat, wird in Weiterführung der Erfindung mit den Verlustleistungswerten ein zusätzlicher Korrekturwert berechnet, der danach die Verlustleistungswerte mit ei­ ner in der Vergangenheit gelegenen Belastungshöhe korrigiert. Dazu werden die positiven als auch die negativen Verlustleistungswerte über eine vorgegebene Zeit aufsummiert und zur Bildung des Korrekturwertes herangezogen. Ergibt die hier­ bei gebildete Summe einen positiven Wert, liegt die aktuelle Belastung unterhalb der zulässigen Grenzbelastung. Bei der Bildung des Korrekturwertes werden dann auch vorherige Abschaltungen, automatische Resets und vorherige Bewertungen berücksichtigt. Ein großer Korrekturwert sagt somit aus, daß die vergangene (vor­ herige) Belastung unterhalb der zulässigen Grenzbelastung lag.

Dies führt dazu, daß bei hohen aktuelle Belastungen nach vorheriger niedriger Belastung die Schutzfunktion später ausgelöst wird, als bei einer vorherigen ho­ hen Belastung. Des weiteren ist der Zeitpunkt bis zum Auslösen der Schutzfunkti­ on bei einer hohen Überlastung kürzer, als bei geringfügiger Überlastung. Die Kombination dieser beiden Vorgänge ermöglicht eine, den aktuellen Motorbedin­ gungen entsprechende Zuschaltung der Schutzfunktion.

In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt das Abschalten des Motors bei Überla­ stung nur für einen festgelegten Zeitraum. In dieser Zeit wird ein Fehlersignal nach außen, beispielsweise auf die Motorsteuerung, gegeben. Zeitgleich kühlt sich der Motor ab, wobei weitere Hilfsmaßnahmen zur beschleunigten Abkühlung zugeschaltet werden können. Diese können ein Lüfterrad in Motornähe sein. Nach Ablauf des Abkühlzeitraums kann der Motor mit einem vorgegebenen Signal er­ neut betrieben werden, wobei das Fehlersignal zurückgesetzt wird.

Anwendung findet ein derartiges Verfahren beispielsweise bei Motoren in Stell­ gliedern zur Verstellung einer Drosselklappe oder einer Klappe im Saugrohr im Luftansaugbereich oder in Stellgliedern eines Abgasrückführventils im Abgasbe­ reich einer Brennkraftmaschine.

Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher er­ läutert werden.

Es zeigt die einzige Figur der Übersichtlichkeit halber in Blockbilddarstellung eine, das erfindungsgemäße Verfahren ausführende Vorrichtung 1, die vorzugsweise in einer elektrischen Schaltung eines nicht näher dargestellten Stellgliedes bzw. Stellers integriert ist.

Bekannte Baugruppen, die zu einer Baugruppe 20 zusammengefaßt sind, sind dabei eine Ansteuerelektronik 2 für einen Regler 3 eines Motors 4 des Stellers. Bekanntlich wird die Ansteuerelektronik 2 mit einem pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt, wobei die Modulation (Tastverhältnis) des Signals die Winkelinfor­ mation für den Steller beinhaltet. Diese Winkelinformation wird durch den Regler 3 für den Motor 4 aufbereitet, der diesen solange ansteuert, bis die vorgegebene Winkellage beispielsweise einer Klappe eingestellt worden ist.

Neben dieser allgemeinen bekannten Motorregelung/-ansteuerung wird nun erfin­ dungsgemäß mit Hilfe einer Meßwerterfassungsvorrichtung 5 der aktuelle Motor­ strom I_M des Motors 4 bestimmt und zusammen mit einer am Motor 4 anliegen­ den Spannung U_M auf einen Multiplizierer 6 zur Ermittlung der aktuellen Leistungs- (Verlustleistungs-)aufnahme P_AKT des Motors 4 gegeben.

Um hinreichend genaue aktuelle Stromwerte I_M bestimmen zu können, wird der Strom I_M vorzugsweise durch ein, der Meßwerterfassungsvorrichtung 5 vorge­ schaltenes, nicht näher dargestelltes RC-Glied, beispielsweise mit einer Zeitkon­ stante T = 0,01 s, geglättet und in der Meßwerterfassungsvorrichtung 5 zusätzlich verstärkt.

Dieser Leistungswert P_AKT wird danach mit im Speicher 7 hinterlegten maximal zulässigen Grenzwerten P_MAX im Vergleicher 8 verglichen, wobei sich der aktuell herangezogene Grenzwert P_MAX aus der aktuellen Umgebungstemperatur Tu_AKT ergibt, die über einen nicht näher dargestellten Temperatursensor gemessen und an den Speicher 7 gegeben wird.

Die hinterlegten Grenzwerte P_MAX sind bei einer vorgewählten kritischen Wick­ lungstemperatur empirisch ermittelt und im Speicher 7 abgespeichert worden. In der Praxis hat sich die Aufnahme der Grenzwerte P_MAX unter verschiedenen Um­ gebungstemperaturen Tu_1-n bei einer konstanten Wicklungstemperatur von 220°C bewährt.

Ist ein Verlustleistungswert Δ_DIF, welcher die Verlustleistungsdifferenz zwischen der ermittelten Leistung P_AKT und dem gespeicherten äquivalenten Grenzlei­ stungswert P_MAX beinhaltet, positiv, bedeutet dies für den Motor 4 eine Überhit­ zungsgefahr. Bei einem negativen Verlustleistungswert ΔP_DIF ist die Motorbela­ stung für die aktuelle Umgebungstemperatur Tu_AKT im zulässigen Bereich.

Um jedoch ein zu häufiges Abschalten bei einer ermittelten kurzzeitigen Überla­ stung zu verhindern (ΔP_DIF ist positiv), werden diese Verlustleistungswerte ΔP_DIF stetig und ununterbrochen in einem Integrator 9 aufsummiert. Im nachfolgenden Vergleicher 10 wird dieser stetig aufsummierte Summenwert P_SUM aus dem Inte­ grator 9 kommend mit einem vorgegebenen weiteren Grenzwert P_SCH (Schwell­ wert) laufend verglichen. Dieser vorgegebene Grenzwert P_SCH ist applikationsab­ hängig und wird meistens versuchstechnisch ermittelt.

Wird dieser vorgegebene Grenzwert P_SCH überschritten, wird der Motor 4 abge­ schaltet. Dabei kann der Motor 4 zur Abkühlung für einen Zeitraum t_A von ca. 64 s abgeschaltet werden, wobei der Steller vorzugsweise in eine O° Position gefah­ ren wird. Aus dieser Position kann der Motor 4 dann nach Ablauf einer vorgege­ benen Abkühlzeit t_A durch ein vorgegebenes Tastverhältnis, beispielsweise 5% des eingehenden pulsweitenmodulierten Signals, geholt werden.

In Weiterführung werden, um das Auflaufen negativer Summen im Integrator 9 zu vermeiden, Summen kleiner "0" stets auf "0" gesetzt. Das bedeutet, daß die nega­ tiven Verlustleistungswerte ΔP_DIF im Integrator 9 solange aufsummiert werden, wie die resultierende Summe im Integrator 9 noch positiv ist. Weitere negative Ver­ lustleistungswerte ΔP_DIF, die die Summe im Integrator 9 negativ gestalten würden, werden dann nicht mehr berücksichtigt.

In einer besonders günstigen Variante wird in das Verfahren ein Korrekturterm K eingebunden, der insbesondere eine vorherige geringe Motorbelastung (ΔP_DIF ne­ gativ) berücksichtigt und den Verlustleistungswert ΔP_DIF korrigiert. Diese Ausfüh­ rung ist in der Figur als gestrichelt dargestellten Baugruppe 30 gekennzeichnet.

Zur Ermittlung des Korrekturterms K werden die Verlustleistungswerte ΔP_DIF direkt vom Vergleicher 8 oder über einen weiteren Ausgang des Gliedes 11 auf einen weiteren Integrator 12 gegeben und dort über einen Zeitraum t_K aufsummiert, wo­ bei die Verlustleistungswerte ΔP_DIF vorzugsweise vor dem Aufsummieren negiert werden. Nach Ablauf des Zeitraums t_K erfolgt die Summenbildung der Verlustlei­ stungswerte ΔP_DIF wieder beginnend mit "Null".

Unter Berücksichtigung der über den vorgegebenen Zeitraum im Integrator 12 aufgelaufenen Summe P_K aus den Verlustleistungsdifferenzen ΔP_DIF sowie weite­ rer Kriterien, wie beispielsweise ein vorheriger Reset, wird anschließend im Be­ wertungsblock 13 der als Divisor wirkender Korrekturterm K aus der Summe P_K berechnet, wobei der Korrekturterm K selbst stets positiv ist. Die Größe der über den Zeitraum t_K ermittelten Summe P_K bewirkt die Größe des Korrekturwertes K, wobei ein hoher Summenwert P_K einen höheren Korrekturwert K und somit einen niedrigen korrigierten Wert P_KOR bewirkt. Dieser wird zusammen mit dem aktuellen Verlustleistungswert ΔP_DIF zur Korrektur auf ein Dividierglied 14 gegeben, dessen Ausgang auf den Eingang des Integrators 9 geführt ist. Ist der eingehende korri­ gierte Wert P_KOR negativ, wird dieser nur solange aufsummiert, wie die dabei ge­ bildete Summe im Integrator 9 positiv bleibt.

Ein wertmäßig großer Korrekturterm K bewirkt einen kleinen korrigierten aufzu­ summierenden Wert P_KOR, ein kleiner Korrekturterm K einen wertmäßig großen korrigierten aufzusummierenden Wert P_KOR.

Der korrigierte Wert P_KOR wird danach im nachfolgenden Vergleicher 10 aufsum­ miert und in der bereits beschriebenen Form mit einem Grenzwert P_SCH vergli­ chen.

Claims (13)

1. Verfahren zum Betreiben eines Motors, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein aktueller Motorstrom (I_M) des Motors (4) ermittelt und mit einer am Motor (4) gemessenen Spannung (U_M) multipliziert wird, um eine aktuelle Leistung (P_AKT) des Motors (4) zu bestimmen, welche
• - mit einem, die aktuelle Umgebungstemperatur (Tu_AKT) repräsentierenden Grenzwert (P_MAX) verglichen wird,
• - ein Verlustleistungswert (ΔP_DIF), ermittelt aus den beiden Leistungen (P_{AKT ,} P_MAX) über einen Zeitraum aufsummiert wird, wobei
• - dieser Summenwert (P_SUM) mit einem weiteren oberen Grenzwert (P_SCH) verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die empirisch er­ mittelten maximal zulässigen Grenzwerte (P_MAX) bei einer konstanten, maxi­ mal zulässigen Wickeltemperatur unter Veränderung der Umgebungstempe­ ratur (Tu_1-n) bestimmt und in einem Speicher (7) hinterlegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Über­ schreitung des weiteren Grenzwertes (P_SCH) der Motor (4) abgeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltung des Motors (4) über einem vorbestimmten Zeitraum (t_A) er­ folgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung des mit dem weiteren Grenzwert (P_SCH) zu vergleichenden Summenwertes (P_SUM) eine vorherige Belastung des Motors (4) berücksichtigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrekturterm (K) eingebunden wird, der die vorherige Belastung des Motors (4) charakteri­ siert, mit dem der Vergleichswert (ΔP_DIF) korrigiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der als Divisor wir­ kende Korrekturterm (K) nach Aufsummierung der Vergleichswerte (ΔP_DIF) über einen vorgegebenen Zeitraum (t_K) aus dieser Summe (P_K) berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß ein mit dem Korrekturterm (K) korrigierter Wert (P_KOR) zur Summen­ bildung (P_SUM) herangezogen wird.

9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die negativen Verlustleistungswerte (ΔP_DIF) oder die negativen korri­ gierten Werte (P_KOR) nur solange aufsummiert werden, wie die Summe (P_SUM) positiv ist, um das Auflaufen negativer Summen bei der zu bildenden Summe (P_SUM) zu vermeiden.

10. Anwendung des Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche zum Betreiben eines Motors (4) eines Stellgliedes bei der Verstellung einer Dros­ selklappe im Luftansaugbereich einer Brennkraftmaschine.

11. Anwendung des Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche zum Betreiben eines Motors (4) eines Stellgliedes bei der Verstellung der Klappen in einem Saugrohr im Luftansaugbereich einer Brennkraftmaschine.

12. Anwendung des Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche zum Betreiben eines Motors (4) eines Stellgliedes bei der Verstellung eine Abgas­ rückführventils im Abgasbereich einer Brennkraftmaschine.

13. Anwendung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Abschalten des Motors (4), dieser das Stellglied in eine vorbe­ stimmte Position verfährt.