DE10115675B4

DE10115675B4 - Verfahren zum Betreiben eines Motors sowie Verwendung

Info

Publication number: DE10115675B4
Application number: DE2001115675
Authority: DE
Inventors: Harald Kerkmann
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: DE10115675A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Motors, wobei ein aktueller Motorstrom (IM) des Motors (4) ermittelt und mit einer am Motor (4) gemessenen Spannung (UM) multipliziert wird, um eine aktuelle Leistung (PAKT) des Motors (4) zu bestimmen, welche mit einem die aktuelle Umgebungstemperatur (TUAKT) repräsentierenden Grenzwert (PMAX) verglichen wird, wobei ein Verlustleitungswert (delta P dif), ermittelt aus den beiden Leistungen (PAKT, PMAX) über einen Zeitraum aufsummiert wird, wobei dieser Summenwert (PSUM) mit einem weiteren oberen Grenzwert (PSCH) verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des mit dem weiteren Grenzwert (PSCH) zu vergleichenden Summenwertes (PSUM) ein Korrekturterm (K) eingebunden wird, der die vorherige Belastung des Motors (4) charakterisiert und mit dem der Vergleichswert (delta P dif) korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motors, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zum Schutz des Motors, sowie Verwendung dieses Verfahrens.
Motoren, insbesondere Gleichstrommotore von Stellantrieben, werden unter unterschiedlichen 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 Temperatursensors 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 DE 100 40 080 A1 (ältere Anmeldung) wird ein Verfahren zum Betreiben eines Stellmotors offenbart, bei dem die Wicklungstemperatur aus Parametern des Motors berechnet wird. Überschreitet die errechnete Wicklungstemperatur einen vorgegebenen Grenzwert, wird die Leistungszufuhr zum Motor kurzzeitig unterbrochen.
Auch aus der DE 198 16 837 A1 ist ein elektromotorischer Antrieb bekannt, bei der die Ansteuerschaltung eine Überlaststufe umfaßt, die eine Überlastung des Elektromotors aus einer Temperatur des Elektromotors detektiert. Darüber hinaus ist aus der EP 0 828 330 A2 ein Elektromotor für einen Stellantrieb bekannt, bei dem ein Maximalwert, bei dessen Überschreibung der Motorstromkreis unterbrochen wird, in Abhängigkeit von einer maximalen Motortemperatur unter Berücksichtigung der jeweiligen Umgebungstemperatur des Elektromotors gestellt wird.
Der nächstliegende Stand der Technik ist jedoch aus der DE 197 25 267 A1 bekannt, die ein Verfahren zum Schutz von Gleichstrommotoren vor thermischer Überlastung offen bart. Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß die Abhängigkeit von den aktuellen Temperaturverhältnissen im Gleichstrommotor zu einer zu großen Empfindlichkeit des Systems führt. Darüber hinaus ist aus der EP 0 649 575 B1 ein Antrieb bekannt, bei dem mit dem Abschalten des Motors das Stellglied in eine vorbestimmte Position verfahren wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein gleichfalls effektives Verfahren zum Betreiben des Motors aufzuzeigen, wobei verfrühte oder vorschnelle Abschaltungen vermieden werden sollen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, aus einem gemessenen aktuellen Motorstrom und der am Motor anliegenden Speisespannung die aktuelle Leistungsaufnahme (Verlustleistung) des Motors zu ermitteln, um daraus indirekt auf eine Wicklungstemperatur schließen zu können. Mit Kenntnis der aktuellen („indirekten") Wicklungstemperatur kann dann eine Schutzfunktion für den Motor ausgelöst werden. Der rechnerisch ermittelte aktuelle Leistungswert wird mit einer für die aktuelle Umgebungstemperatur vorab empirisch ermittelten maximal zulässigen Grenzleistung des Motors verglichen, wobei der resultierende Verlustleistungsvergleichswert (Verlustleistungswert) vorzugsweise als Differenzwert zwischen dem errechneten Leistungswert und dem empirisch ermittelten Grenzwert gebildet wird.
Die empirisch ermittelten maximal zulässigen Grenzleistungen werden bei einer konstanten, vorzugsweise der höchstmöglichen Wicklungstemperatur eines Motors bestimmt, wobei die Umgebungstemperatur variiert wird und die Meßwerte in einem Speicher, beispielsweise in Form einer Kennlinie mittels Stütztabellen, o. ä. hinterlegt werden.
Dabei wird 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 resultierenden Verlustleistungswerte einen negativen Wert ergeben, der über einen längeren Zeit raum 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 wiederzugeben. Diese Vorgabe kann gewählt werden, da Werte kleiner „0" eine Überlastung 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 Belastung aber einen wesentlichen Einfluß auf die Motortemperatur (Wicklungstemperatur) hat, wird in Weiterführung der Erfindung mit den Verlustleistungswerten ein zusätzlicher Korrekturwert berechnet, der danach die Verlustleistungswerte mit einer 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 hierbei 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 (vorherige) 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 hohen Belastung. Des weiteren ist der Zeitpunkt bis zum Auslösen der Schutzfunktion bei einer hohen Überlastung kürzer, als bei geringfügiger Überlastung. Die Kombination dieser beiden Vorgänge ermöglicht eine, den aktuellen Motorbedingungen entsprechende Zuschaltung der Schutzfunktion.
In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt das Abschalten des Motors bei Überlastung 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 erneut betrieben werden, wobei das Fehlersignal zurückgesetzt wird.
Anwendung findet ein derartiges Verfahren beispielsweise bei Motoren in Stellgliedern zur Verstellung einer Drosselklappe oder einer Klappe im Saugrohr im Luftansaugbereich oder in Stellgliedern eines Abgasrückführventils im Abgasbereich einer Brennkraftmaschine.
Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert 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 Winkelinformation 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 erfindungsgemäß mit Hilfe einer Meßwerterfassungsvorrichtung 5 der aktuelle Motorstrom I_M des Motors 4 bestimmt und zusammen mit einer am Motor 4 anliegenden-Spannung U_AKT 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 IM vorzugsweise durch ein, der Meßwerterfassungsvorrichtung 5 vorgeschaltenes, nicht näher dargestelltes RC-Glied, beispielsweise mit einer Zeitkonstante 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 Wicklungstemperatur empirisch ermittelt und im Speicher 7 abgespeichert worden. In der Praxis hat sich die Aufnahme der Grenzwerte P_MAX unter verschiedenen Umgebungstemperaturen Tu_1-n bei einer konstanten Wicklungstemperatur von 220°C bewährt.
Ist ein Verlustleistungswert ΔP_DIF, welcher die Verlustleistungsdifferenz zwischen der ermittelten Leistung _PAKT und dem gespeicherten äquivalenten Grenzleistungswert P_MAX be inhaltet, positiv, bedeutet dies für den Motor 4 eine Überhitzungsgefahr. Bei einem negativen Verlustleistungswert ΔP_DIF ist die Motorbelastung für die aktuelle Umgebungstemperatur Tu_AKT im zulässigen Bereich.
Um jedoch ein zu häufiges Abschalten bei einer ermittelten kurzzeitigen Überlastung 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 Integrator 9 kommend mit einem vorgegebenen weiteren Grenzwert P_SCH (Schwellwert) laufend verglichen. Dieser vorgegebene Grenzwert P_SCH ist applikationsabhängig und wird meistens versuchstechnisch ermittelt.
Wird dieser vorgegebene Grenzwert P_SCH überschritten, wird der Motor 4 abgeschaltet. 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 gefahren wird. Aus dieser Position kann der Motor 4 dann nach Ablauf einer vorgegebenen 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 negativen Verlustleistungswerte ΔP_DIF im Integrator 9 solange aufsummiert werden, wie die resultierende Summe im Integrator 9 noch positiv ist. Weitere negative Verlustleistungswerte ΔP_DIF, die die Summe im Integrator 9 negativ gestalten würden, werden dann nicht mehr berücksichtigt.
In das Verfahren wird ein Korrekturterm K eingebunden, der insbesondere eine vorherige geringe Motorbelastung (ΔP_DIF negativ) berücksichtigt und den Verlustleistungswert ΔP_DIF korrigiert. Diese ist in der Figur als gestrichelt dargestellte Baugruppe 30 gekennzeichnet.
Zur Ermittlung des Korrekturterms K werden die Verlustleistungswerte Δ_PDIF 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, wobei die Verlustleistungswerte ΔP_DIF vorzugsweise vor dem Aufsummieren negiert werden. Nach Ablauf des Zeitraums t_K erfolgt die Summenbildung der Verlustleistungswerte 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 weiterer Kriterien, wie beispielsweise ein vorheriger Reset, wird anschließend im Bewertungsblock 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 korrigierte Wert P_KOR negativ, wird dieser nur solange aufsummiert, wie die dabei gebildete Summe im Integrator 9 positiv bleibt.
Ein wertmäßig großer Korrekturterm K bewirkt einen kleinen korrigierten aufzusummierenden 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 aufsummiert und in der bereits beschriebenen Form mit einem Grenzwert P_SCH verglichen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Motors, wobei ein aktueller Motorstrom (IM) des Motors (4) ermittelt und mit einer am Motor (4) gemessenen Spannung (UM) multipliziert wird, um eine aktuelle Leistung (PAKT) des Motors (4) zu bestimmen, welche mit einem die aktuelle Umgebungstemperatur (TUAKT) repräsentierenden Grenzwert (PMAX) verglichen wird, wobei ein Verlustleitungswert (delta P dif), ermittelt aus den beiden Leistungen (PAKT, PMAX) über einen Zeitraum aufsummiert wird, wobei dieser Summenwert (PSUM) mit einem weiteren oberen Grenzwert (PSCH) verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des mit dem weiteren Grenzwert (PSCH) zu vergleichenden Summenwertes (PSUM) ein Korrekturterm (K) eingebunden wird, der die vorherige Belastung des Motors (4) charakterisiert und mit dem der Vergleichswert (delta P dif) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die empirisch ermittelten maximal zulässigen Grenzwerte (P_MAX) bei einer konstanten, maximal zulässigen Wickeltemperatur unter Veränderung der Umgebungstemperatur (Tu_1-n) bestimmt und in einem Speicher (7) hinterlegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung des weiteren Grenzwertes (P_SCH) der Motor (4) abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltung des Motors (4) über einem vorbestimmten Zeitraum (t_A) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als Divisor wirkende Korrekturterm (K) nach Aufsummierung der Vergleichswerte (ΔP_DIF) über einen vorgegebenen Zeitraum (t_K) aus dieser Summe (P_K) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittels des Korrekturterms korrigierte Vergleichswert (delta Pdif) als korrigierter Wert (P_KOR) zur Summenbildung (P_SUM) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die negativen korrigierten 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.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche zum Betreiben eines Motors (4) eines Stellgliedes bei der Verstellung einer Drosselklappe im Luftansaugbereich einer Brennkraftmaschine.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche zum Betreiben eines Motors (4) eines Stellgliedes bei der Verstellung der Klappen in einem Saugrohr im Luftansaugbereich einer Brennkraftmaschine.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche zum Betreiben eines Motors (4) eines Stellgliedes bei der Verstellung eine Abgasrückführventils im Abgasbereich einer Brennkraftmaschine.
Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Abschalten des Motors (4), dieser das Stellglied in eine vorbestimmte Position verfährt.