DE102004036134A1 - Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten in Verbrennungskraftmaschinen sowie Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors einer derartigen Stellvorrichtung - Google Patents

Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten in Verbrennungskraftmaschinen sowie Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors einer derartigen Stellvorrichtung Download PDF

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Abstract

In der Erfindung wird eine Stellvorrichtung (1) beziehungsweise ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors (4) einer derartigen Stellvorrichtung (1) beschrieben, bei der mittels eines Stromreglers (22) eine thermische Überlastung der Ankerwicklung vermieden wird. Dies erfolgt, indem zusätzlich zur üblichen Lageregelung der Stromregler (22) aktiviert wird, der den durch die Ankerwicklung des Elektromotors (4) fließenden Strom auf einen Motorstromsollwert I¶Soll¶ begrenzt. Dieser Motorstromsollwert I¶Soll¶ ist abhängig von der Umgebungstemperatur T¶U¶. Der Stromregler (22) wird in dem Moment aktiv geschaltet, in dem ein Motorstromistwert I¶ist¶ den Motorstromsollwert I¶Soll¶ über ein vordefiniertes Zeitintervall übersteigt. DOLLAR A Hierdurch wird erreicht, daß die maximal zulässige Ankertemperatur des Elektromotors (4) im Überlastfall nicht überschritten und gleichzeitig dennoch ein reduziertes Grunddrehmoment für die Lageregelung zur Verfügung gestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten in Verbrennungskraftmaschinen mit einem Elektromotor, der über eine Ansteuerschaltung angesteuert ist und zumindest eine Spule und einen mit einem magnetischen Feld der Spule korrespondierenden beweglichen Anker aufweist, der mit der Durchflußsteuerungskomponente gekoppelt ist, wobei die Ansteuerschaltung einen Lageregler sowie einen über den Lageregler angesteuerten Pulsweitenmodulator aufweist sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors einer Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten, wobei der Elektromotor über einen Pulsweitenmodulator angesteuert wird, dessen Pulsweitenmodulation über einen Lageregler geregelt wird.
  • Stellvorrichtungen für Durchflußsteuerungskomponenten in Verbrennungskraftmaschinen wie Drosselklappen, Abgasrückführventile oder Drall-, Schalt- oder Tumbleklappen sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Ein Überlastschutz für derartige Stellvorrichtungen wurde entweder nicht verwendet oder derart ausgeführt, daß bei überhöhter Anker- beziehungsweise Spulenwicklungstemperatur der Elektromotor der Stellvorrichtung nicht mehr bestromt also ausgestellt wurde. Nachteilig an einer solchen Ausführung ist jedoch, daß entweder eine Beschädigung des Elektromotors folgt oder im zweiten Fall eine weitere Verstellung der zu regelnden Klappe nicht erfolgt, so daß beispielsweise ein Verlust in der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine die Folge ist.
  • Des weiteren ist aus der DE 188 58 697 ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes einer Last eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug bekannt, der getaktet durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal angesteuert wird, wobei das zur Begrenzung des Stromflusses durch die Last in seiner Pulsweite variierte Ansteuersignal zur Bestimmung der Last derart ausgewertet wird, daß die Häufigkeit des Ansprechens der Strombegrenzung innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes gezählt wird und aus der Häufigkeit der Strombegrenzung ein Rückschluß auf den Betriebszustand der Last gezogen wird. Bei Erreichen des Grenzwertes wird die Pulsweite entsprechend variiert.
  • Nachteilig an einer solchen Ausführung ist, daß ein fest vorgegebener Grenzwert benutzt wird, um die Pulsweite zu variieren. Somit werden die Einflüsse der Umgebung nicht beachtet, so daß der Grenzwert so gering gewählt werden muß, daß auch bei beispielsweise sehr niedriger Umgebungstemperatur und somit guter Wärmeabführung von der Spule die Pulsweite des Signales herunter gesetzt wird, obwohl eine Schädigung der Spule noch nicht zu befürchten ist.
  • Des weiteren wird in der DE 41 32 881 eine Ansteuerschaltung für bürstenlose Gleichstrommotoren beschrieben, mit deren Hilfe eine Drehzahlregelung des Motors erfolgt. Diese Drehzahlregelung erfolgt aufgrund einer errechneten Temperatur, die aus einer vordefinierten Tabelle oder mittels einer vorgegebenen Funktion, welche abhängig von der Drehzahl ist, ermittelt wird. Somit wird bei Aktivierung der Drehzahlregelungsanordnung an Stelle eines variablen vorzugsweise temperaturgeführten Drehzahlwertes ein Solldrehzahlwert von vorgegebener fester Größe zugeführt. Eine solche Regelung über die Drehzahl eignet sich jedoch nicht für Durchflußsteuerungskomponenten in Verbrennungskraftmaschinen.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten sowie ein Verfahren zur Motorstromregelung für solche Stellvorrichtungen für Durchflußsteuerungskomponenten zur Verfügung zu stellen, wobei eine maximal zulässige Ankertemperatur des Gleichstrommotors im Überlastfall nicht überschritten werden soll um eine Zerstörung der Ankerwicklung zu verhindern. Gleichzeitig ist dem Gleichstrommotor weiterhin ein reduziertes Grunddrehmoment für die Lageregelung zur Verfügung zu stellen, so daß ein Verstellen der Durchflußsteuerungskomponenten auch bei vorübergehend erhöhter Ankertemperatur möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, bei der die Ansteuerschaltung einen Stromregler aufweist, über den der Elektromotor über den Pulsweitenmodulator mit einem Motorstromsollwert Isoll ansteuerbar ist, wobei der Motorstromsollwert Isoll von einer Motorumgebungstemeratur TU abhängig ist. Hierdurch kann dem Motor ein begrenzter Motorstrom zur weiteren Verstellung der Durchflußsteuerungskomponente zur Verfügung gestellt werden, wobei durch geschickte Wahl des übermittelten Motorstromsollwertes Isoll in Abhängigkeit von der Motorumgebungstemperatur TU eine Zerstörung der Ankerwicklung verhindert wird.
  • Vorzugsweise ist dazu in einem Speicher eine Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie hinterlegt, mittels derer jeder mittels einer Motorumgebungstemperaturerfassungseinrichtung gemessenen Motorumgebungstemperatur TU ein Motorstromsollwert Isoll zuzuordnen ist, so daß der Elektromotor mit dem ermittelten Motorstromsollwert Isoll in Abhängigkeit von der gemessenen Motorumgebungstemperatur TU ansteuerbar ist. Auf diese Weise erhält man einen Überlastschutz durch die Stromregelung, der abhängig ist von den externen Umgebungsbedingungen, so daß der unter diesen Bedingungen maximal mögliche Stromfluß in der Ankerwicklung gewährleistet bleibt.
  • In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung misst eine Motorstromistwerterfassungseinrichtung einen Motorstromistwert Iist und eine Motorumgebungstemperaturerfassungseinrichtung die Motorumgebungstemperatur TU, wobei der Pulsweitenmodulator über den Stromregler angesteuert ist, falls der Motorstromistwert Iist den aus der Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie ermittelten Motorstromsollwert Isoll über ein festgelegtes Zeitintervall, welches in einem Zeitglied hinterlegt ist, übersteigt. Hierdurch wird eine Aktivierung des Stromreglers bei kurzen Stromspitzen und gleichzeitig eine Überhitzung der Ankerwicklung bei länger überhöhtem Strom vermieden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Motorumgebungstemperaturerfassungseinrichtung auf einer Platine oder einem Hybrid der Stellvorrichtung angeordnet, so daß eine Stellerinnentemperatur gemessen wird, welche sowohl von der Temperatur der Ankerwicklung als auch von der umgebenden Atmosphärentempera tur abhängig ist. Eine kostspielige Anordnung eines Temperatursensors direkt an der Ankerwicklung ist somit nicht notwendig.
  • Des weiteren wird die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zur Motorstromregelung eines Elektromotors einer Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten gelöst, wobei der Elektromotor über einen Pulsweitenmodulator angesteuert wird, dessen Pulsweitenmodulation über einen Lageregler geregelt wird und welches folgende Schritte aufweist:
    • – Messen eines Motorstromistwertes Iist
    • – Berechnen eines Motorstromsollwertes Isoll, welcher von einer Motorumgebungstemperatur TU abhängig ist,
    • – Berechnen einer Differenz Δ zwischen dem Motorstromistwert Iist und dem Motorstromsollwert Isoll in einem Vergleichen,
    • – Ist Δ>0 über ein definiertes Zeitintervall wird ein Stromregler derart aktiviert, daß der Motorstromistwert Iist auf den Motorstromsollwert Isoll begrenzt wird,
    • – Ist Δ<0 ist der Stromregler (22) passiv und die Ansteuerung des Pulsweitenmodulators (17) erfolgt ausschließlich über den Lageregler (16).
  • Durch ein derartiges Verfahren wird eine Überlastung der Ankerwicklung ausgeschlossen und somit die Lebensdauer einer derartigen Stellvorrichtung erhöht.
  • Vorzugsweise wird die Umgebungstemperatur Tu mittels einer Umgebungstemperaturerfassungseinrichtung gemessen und der Motorstromsollwert Isoll aus einer in einem Speicher hinterlegten Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie berechnet. Somit tritt die Stromregelung tatsächlich nur dann ein, wenn die indirekt über die Umgebungstemperaturerfassungseinrichtung gemessene Temperatur der Ankerwicklung so hoch wird, daß mit einer Schädigung der Ankerwicklung zu rechnen ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Umgebungstemperatur/Strom-Kennlinie mittels der Gesetze der Wärmeübertragung unter Zuhilfenahme des Nennstroms INenn, der Nennleistung INenn und der zulässigen Ankertemperatur Tzul des Elektromotors sowie den Stoffwerten des Gehäuses des Elektromotors berechnet. Hierdurch wird es möglich, die Umgebungstemperaturerfassungseinrichtung außerhalb des Elektromotors anzuordnen, wodurch Kosten eingespart werden und dennoch eine zuverlässige Begrenzung des Stroms für den Überlastschutz gewährleistet wird.
  • Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors einer Stellvorrichtung stellt sicher, daß die maximal zulässige Ankertemperatur des Elektromotors im Überlastfall nicht überschritten wird, wodurch eine Zerstörung der Ankerwicklung verhindert wird. Gleichzeitig wird jedoch dem Elektromotor weiterhin ein reduziertes Grunddrehmoment für die Lageregelung zu Verfügung gestellt und somit die Funktionalität der Durchflußsteuerungskomponenten erhalten.
    •
  • Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • 1 zeigt in dreidimensionaler perspektivischer Ansicht, eine Stellvorrichtung für Klappenelemente in Verbrennungskraftmaschinen in gesprengter Darstellung.
  • 2 zeigt ein schematisches Strukturbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung für eine derartige Stellvorrichtung, wobei die gepunktet dargestellten Teile der Ansteuerschaltung die erfindungswesentlichen Merkmale beinhalten.
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße Stellvorrichtung 1 für Durchflußsteuerungskomponenten dargestellt, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht dargestellte Klappenelemente sein können. Diese Stellvorrichtung 1 besteht aus einem zweiteiligen Gehäuse 2,3, in dem ein Elektromotor 4 angeordnet ist, der über ein Untersetzungsgetriebe 5 eine Abtriebswelle 6 rotatorisch antreibt, welche mit den nicht dargestellten Klappenelementen direkt oder indirekt verbunden ist. Der Elektromotor 4 weist eine Spule und einen mit dem magnetischen Feld der Spule korrespondierenden beweglichen Anker beziehungsweise Rotor auf, der mit einer Antriebswelle 7 verbunden ist, die wiederum das Untersetzungsgetriebe 5 antreibt. Des weiteren ist der Elektromotor 4 über Kontaktelemente 8 mit einer Platine 9 verbunden, auf der neben verschiedenen Elektronikbauteilen 10 auch eine in dieser Ansicht nicht erkennbare Temperaturerfassungseinrichtung 11 in Form eines NTC's oder PTC's angeordnet ist. Neben diesen Elektronikbauteilen 10 und der Temperaturerfassungseinrichtung 11 ist auf der Platine zur Lagerückmeldung ein ebenfalls nicht erkennbarer Hall-Sensor 12 angeordnet, der mit einem Kreissegmentmagneten 13 korrespondiert, der am Untersetzungsgetriebe 5 angeordnet ist. Aufgrund der sich bei Drehung des Untersetzungsgetriebes 5 und somit der Durchflußsteuerungskomponente und des Magneten 13 ändernden magnetischen Feldes, werden vom Hall-Sensor 12 über einen Stecker 14 Signale zu einer Ansteuerschaltung 15 gegeben, die im wesentlichen in 2 dargestellt ist. Diese Signale werden hier zur Lagerückmeldung verarbeitet.
  • Diese Ansteuerschaltung 15 aus 2 wird im nachfolgenden beschrieben. Bei der üblichen Ansteuerung des Elektromotors 4 wird entsprechend der Signale einer Motorsteuerung beispielsweise abhängig von der Gaspedalstellung eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs ein Lagesollwert xsoll an die Ansteuerschaltung 15 übermittelt. Dieser Lagesollwert xsoll wird an einen Lageregler 16 der üblicherweise als PID-Regler ausgeführt ist, übertragen, so daß in einem Pulsweitenmodulator 17 entsprechende Signale erzeugt werden, die an den hier als Gleichstrommotor 4 ausgeführten Elektromotor weitergegeben werden. Über den Hall-Sensor 12 wird ein Lageistwert xist ermittelt, der mit dem Sollwert xsoll verglichen wird, so daß im Lageregler 16 entsprechende weitere Signale erzeugt werden. Derartige Regelungen sind bekannt.
  • Zusätzlich wird nun über eine Motorstromistwerterfassungseinrichtung 18 ein Motorstromistwert Iist ermittelt, der an einen Vergleichen 19 übertragen wird. Gleichzeitig wird über die Temperaturerfassungseinrichtung 11 ein Umgebungstemperaturwert TU ermittelt. Diese Umgebungstemperatur TU wird zu einem Speicherbaustein 20 übertragen, in dem eine Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie hinterlegt ist. Mit dieser Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie kann jeder gemessenen Umgebungstemperatur TU ein Motorstromsollwert Isoll zugeordnet werden, der ebenfalls dem Vergleichen 19 zugeführt wird. Diese Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie wird aufgrund der Herstellerdaten des Elektromotors (4) bezüglich des Nennstroms INenn der Nennleistung PNenn sowie der zulässigen Ankertemperatur Tzul mit den Gesetzen der Wärmeübertragung berechnet, wobei je nach Anordnung der Temperaturerfassungseinrichtung 11 und je nach verwendeten Stoffen, die entsprechenden Stoffwerte für die Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise den Wärmeübergangskoeffizienten der wärmeübertragenden Bauteile für die Rechnung verwendet werden müssen. Im Vergleichen 19 wird der so ermittelte Motorstromsollwert Isoll mit dem gemessenen Motorstromistwert Iist durch Differenzbildung verglichen. Ist die Differenz Δ zwischen dem Motorstromistwert Iist und dem Motorstromsollwert Isoll kleiner 0, so erfolgt weiterhin die bekannte Lageregelung über den Lageregler. Mit dem Vergleicher ist ein Zeitglied 21 verbunden, so dass, falls die Differenz Δ zwischen dem Motorstromistwert Iist und dem Motorstromsollwert ISoll über ein in dem Zeitglied 21 definiertes Zeitintervall größer 0 ist, ein Stromregler 22 aktiviert wird, der den Motorstromistwert Iist auf den Motorstromsollwert Isoll begrenzt, in dem die Pulsweite des Pulsweitenmodulators 17 entsprechend des vorgegebenen Motorstromsollwertes ISoll verringert wird. Fällt der Motorstromistwert Iist aufgrund dieser Regelung wieder unter den Motorstromsollwert Isoll wird der Stromregler 22 wieder passiv geschaltet, so daß wieder die bekannte Lageregelung über den Lageregler 16 erfolgt. Selbstverständlich bleibt der Lageregler 16 auch bei aktivem Stromregler 22 aktiv, so daß die entsprechende Stellung der Stellvorrichtung 1 beziehungsweise der nicht dargestellten Durchflußsteuerungskomponente angefahren wird, wobei dies dann allerdings mit einem reduzierten Grunddrehmoment erfolgt. Hierdurch wird die Funktionalität der Stellvorrichtung 1 bei einem temperaturabhängigen reduzierten Drehmoment erhalten.
  • Eine zulässige Ankertemperatur des Gleichstrommotors wird somit im Überlastfall nicht überschritten, so daß eine Zerstörung der Ankerwicklung durch diese erfindungsgemäße Ausführungsform und das erfindungsgemäße Verfahren verhindert wird. Es wird deutlich, daß auch anders ausgeführte Stellvorrichtungen mit Lageregler für unterschiedlichste Durchflußsteuerungskomponenten mit einer derartigen Ansteuerschaltung versehen werden können, so daß die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist.

Claims (7)

  1. Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten in Verbrennungskraftmaschinen mit einem Elektromotor, der über eine Ansteuerschaltung angesteuert ist und zumindest eine Spule und einen mit dem magnetischen Feld der Spule korrespondierenden beweglichen Anker aufweist, der mit der Durchflußsteuerungskomponente gekoppelt ist, wobei die Ansteuerschaltung einen Lageregler sowie einen über den Lageregler angesteuerten Pulsweitenmodulator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (15) einen Stromregler (22) aufweist, über den der Elektromotor (4) über den Pulsweitenmodulator (17) mit einem Motorstromsollwert Isoll ansteuerbar ist, wobei der Motorstromsollwert Isoll von einer Motorumgebungstemeratur TU abhängig ist.
  2. Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten in Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Speicher (20) eine Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie hinterlegt ist, mittels derer jeder Motorumgebungstemperatur TU ein Motorstromsollwert Isoll zuzuordnen ist, so daß der Elektromotor (4) mit dem ermittelten Motorstromsollwert Isoll in Abhängigkeit von der Motortumgebungstemperatur TU ansteuerbar ist.
  3. Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten in Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Motorstromistwerterfassungseinrichtung (18) einen Motorstromistwert Iist misst und eine Motorumgebungstemperaturerfassungseinrichtung (11) die Motorumgebungstemperatur TU mißt, wobei der Pulsweitenmodulator (17) über den Stromregler (22) angesteuert ist, falls der Motorstromistwert Iist den aus der Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie ermittelten Motorstromsollwert Isoll über ein festgelegtes Zeitintervall, welches in einem Zeitglied (21) hinterlegt ist, übersteigt.
  4. Stellvorrichtung für Durchflußsteuerungskomponenten in Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorumgebungstemperaturerfassungseinrichtung (11) auf einer Platine (9) oder einem Hybrid der Stellvorrichtung (1) angeordnet ist.
  5. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors (4) einer Stellvorrichtung (1) für Durchflußsteuerungskomponenten, wobei der Elektromotor (4) über einen Pulsweitenmodulator (17) angesteuert wird, dessen Pulsweitenmodulation über einen Lageregler (16) geregelt wird, und welches folgende Schritte aufweist: – Messen eines Motorstromistwertes Ist, – Berechnen eines Motorstromsollwertes Isoll, welcher von einer Motorumgebungstemperatur TU abhängig ist, – Berechnen einer Differenz Δ zwischen dem Motorstromistwert Iist und dem Motorstromsollwert Isoll in einem Vergleicher (19), – Ist Δ>0 über ein definiertes Zeitintervall wird ein Stromregler (22) derart aktiviert, daß der Motorstromistwert Iist auf den Motorstromsollwert Isoll begrenzt wird, – Ist Δ<0 ist der Stromregler (22) passiv und die Ansteuerung des Pulsweitenmodulators (17) erfolgt ausschließlich über den Lageregler (16).
  6. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungstemperatur TU, mittels einer Umgebungstemperaturerfassungseinrichtung (11) gemessen wird und der Motorstromsollwert Isoll aus einer in einem Speicher (20) hinterlegten Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie berechnet wird.
  7. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungstemperatur-/Strom-Kennlinie mittels der Gesetze der Wärmeübertragung unter Zuhilfenahme des Nennstroms INenn der Nennleistung PNenn und der zulässigen Ankertemperatur Tzui des Elektromotors (4) sowie den Stoffwerten des Gehäuses (3) des Elektromotors (4) berechnet wird.
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