DE102005020673A1 - Monitoring and control system for operation and protection of DC motors used on automobile systems - Google Patents
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- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
- H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Auswerte- und Steuerelektronik für Gleichstrom (Direct Current, DC) -Motoren im besonderen bezüglich des Anwendungsbereichs Automobiltechnik.The The invention relates to an evaluation and control electronics for direct current (Direct Current, DC) motors in particular with respect to the field of application Automotive technology.
In der Automobiltechnik werden zunehmend elektrische Antriebe für unterschiedlichste Funktionalität eingesetzt, da sie leicht montier-, schalt-, steuer- und regel- und überwachbar sind. Im folgenden handelt es sich im besonderen um den Motorschutz von Lüfter-/Ventilator- und Pumpenmotoren, die im gesicherten Ein-/Aus- bzw. im Wechsellast-Betrieb gefahren werden. Der Motorschutz besteht in der Überwachung der elektrischen Parameter des Motors. Dabei können unterschieden werden
- – Überlast durch Wicklungs- oder Lagerschaden
- – Kurzschluß durch Festsetzen der Welle, Wicklungs- oder Kollektorschaden
- – Umwelteinfluß wie Feuchte/Wasser und Temperatur
- – Äußerer Einfluß von Fremdkörpern.
- - Overload due to winding or bearing damage
- - Short circuit due to shaft lock, winding or collector damage
- - Environmental impact such as humidity / water and temperature
- - External influence of foreign bodies.
Der Lüfter-/Ventilatormotor kann von außen blockiert sein oder die Lager sitzen durch Fremdkörpereinwirkung fest; es droht Verbrennungsgefahr. Nach Entfernung der Blockade läuft der Motor nicht wieder an.Of the Fan / fan motor can be blocked from the outside or the bearings are stuck by foreign body action; it threatens Burns. After removal of the blockade runs the Do not restart the engine.
Beim Pumpenantrieb ist ebenfalls eine Blockade von außen möglich; die Pumpe steuert z.B. den Kühlmittel-Kreislauf. Verursacher für eine verminderte Pumpenleistung können die Lebensdauer des Antriebs, Verschmutzungsgrad im Kühlkreislauf und, bei Kollektormotoren, die Abnutzung von Bürsten oder Kohlen sein. Auch ein Trockenlauf der Pumpe ist möglich.At the Pump drive is also a blockade from the outside possible; the pump controls e.g. the Coolant circuit. Cause for reduced pump performance can increase the life of the drive, Pollution degree in the cooling circuit and, at collector motors, the wear of brushes or coals. Also Dry running of the pump is possible.
Motoren werden im allgemeinen vor Überlastung geschützt; am häufigsten kommen dabei Motorschutzschalter, Motorschutzrelais oder Schmelzsicherungen zum Einsatz.Engines are generally facing overload protected; most frequently Motor protection switches, motor protection relays or fuses are included for use.
Motorschutzschalter schützen bei Überlastung, Nichtanlauf und/oder Ausfall eines Leiters im Leitersystem; sie können als Schalt- und als Schutzgeräte verwendet werden. Motorschutzschalter enthalten i.a. thermische Bimetalle als Aktor. Die Zeit der thermischen Auslösung, Bimetall-Auslösung, ist abhängig von der Stromaufnahme des zu schützenden Motors; der thermische Auslöser reagiert träge, die elektromagnetische Auslösung reagiert flink nach vorgegebener Strom-Zeit-Kennlinie. Die Bimetall-Auslösung ist, wegen zu schneller Erwärmung des Widerstanddrahts bis zur Verbrennung, nicht für den Kurzschlußschutz geeignet; das Bimetall reagiert nicht auf den Kurzschlußfall.Motor protection switch protect in case of overload, Non-start and / or failure of a conductor in the ladder system; she can as switching and protective devices be used. Motor protection switches i.a. thermal Bimetals as an actor. The time of thermal tripping, bimetallic tripping, is dependent from the current consumption of the motor to be protected; the thermal trigger reacts lazily, the electromagnetic release reacts quickly according to a given current-time characteristic. The bimetallic triggering is, because of too rapid warming of the Resistance wire to the combustion, not for the short-circuit protection suitable; the bimetal does not respond to the short circuit.
Motorschutzschalter mit ausschließlich thermischer Überlastauslösung, sind Sicherungen für den Kurzschlußschutz vorzuschalten, wie ein elektromagnetisches Auslöseorgan für den Kurzschluß. Bei einer dem Einstellbereich der thermischen Überlastauslösung angepaßten Stromstärke, dem Auslösestrom, spricht die elektromagnetische Auslösung im Kurzschlußfall unverzüglich an.Motor protection switch with exclusively thermal overload trip, are Fuses for the Short circuit protection upstream, such as an electromagnetic tripping device for the short circuit. At a the adjustment range of the thermal overload release adapted current, the Release current, the electromagnetic release triggers immediately in the event of a short circuit.
Die Spannungs-Rückgangsspule verhindert einen unkontrollierten Anlauf des Motors bei Wiederkehr der Spannung.The Voltage drop coil prevents an uncontrolled start of the engine on return the tension.
Das thermische Überstromrelais wird i.a. auf den Nennstrom des zu schützenden Motors eingestellt; den Kurzschluß-Fall übernehmen Sicherungen.The thermal overcurrent relay i.a. set to the rated current of the motor to be protected; take over the short circuit case Fuses.
Die Entsperrungstaste des Motorschutzrelais übernimmt die Freischaltung des Steuerstromkreises des Schützes nach der Auslösung mit anschließender Kontaktschließung.The Unlock button of the motor protection relay takes over the activation the control circuit of the contactor after the trip with following Contact closure.
Mit in die Motorwicklung eingebrachte Temperaturfühler erfassen direkt die Wicklungstemperatur und bieten einen Motorvollschutz gegen unzulässig hohe Wicklungstemperaturen zum Schutz der Wicklungsisolation. Die Temperaturerfassung kann z.B. durch an besonders kritischen Stellen, wie Wickelköpfe oder Lagerschalen, angebrachten Thermistoren erfolgen.With Temperature sensors inserted into the motor winding directly detect the winding temperature and provide full motor protection against impermissibly high winding temperatures to protect the winding insulation. The temperature detection may e.g. by at particularly critical points, such as windings or Bearings, mounted thermistors done.
Im folgenden wird der Stand der Technik anhand von Schutzrechten aus dem Bereich Motorschutz näher betrachtet.in the Following is the state of the art based on intellectual property rights closer to the engine protection area considered.
In
der Patentschrift
Patentschrift
In
der europäischen
Patentschrift
Unter
dem Thema Motorüberwachung
offenbart die Patentschrift
In
der Patentschrift
Lüftersteuerungen
werden in den Patentanmeldungen
Wesensmerkmal der erstgenannten Erfindung ist, daß unter Beibehaltung der Nutzbarkeit der thermischen Zeitkonstante des zu belüftenden Aggregats, der Lüfter nicht allein in Abhängigkeit von der Temperatur des Aggregats, sondern auch bereits unterhalb der Temperatur- über eine Stromeinschaltschwelle ein- und ausgeschaltet wird.essential feature The first invention is that while maintaining the usability the thermal time constant of the unit to be ventilated, the fan is not alone in dependence from the temperature of the aggregate, but also already below the temperature over a power-on threshold is turned on and off.
Die zweite Anmeldung offenbart eine Mehrgrößen abhängige Druckregelung, bei welcher ausgehend von einem Speisedruck, ein von einer Meßgröße abhängiger Ausgangsdruck erzeugt wird, mit welchem insbesondere die Kühlleistung der Kühleinrichtung einer Verbrennungsmaschine beeinflußt wird, daß der Ausgangsdruck über eine Kaskadendruckregelung erzeugt wird und daß über den so geregelten Ausgangsdruck Stellmittel betätigt werden, die die Kühlleistung der Kühleinrichtung beeinflussen.The second application discloses a multi-size dependent pressure control in which starting from a feed pressure, an output pressure dependent on a measured quantity is generated, with which in particular the cooling capacity of the cooling device an internal combustion engine is affected, that the output pressure over a Cascade pressure control is generated and that on the thus regulated output pressure Actuating means actuated be that the cooling power the cooling device influence.
Einen
anderen Weg der Motorübewachung stellen
die als Hardware und/oder Software realisierten Zustandsbeobachter
dar. Danach beschreibt die Patentschrift
In
der europäischen
Patentanmeldung
Die
europäische
Patentanmeldung
Keine der vorgestellten Lösungen wird dem Anspruch an die Aufgabe gerecht, eine einfache, aber sichere, laufende Überwachung der elektrischen Parameter von in der Automobiltechnik eingesetzter Gleichstrom-Motoren. Über Widerstands-Kombinationen, die Widerstands-Sicherungen darstellen, werden bei Erwärmung Relais zum Abschalten gebracht und damit die Lüfter-/Ventilator- und Pumpenfunktionen eingestellt. Sowohl die Luft- als auch die Wasserkühlung des Verbrennungsmotors fallen aus; nicht absehbare Folgeschäden können eintreten. Eine Notlaufeigenschaft der Aggregate, wie Betrieb mit reduzierter Leistung, ist nicht vorgesehen.None the solutions presented meets the demands of the task, a simple but safe, ongoing monitoring the electrical parameter of used in automotive engineering DC motors. about Resistor combinations that represent resistance fuses, be warming up Relay for switching off and thus the fan / fan and pump functions set. Both the air and the water cooling of the Internal combustion engine fail; unforeseeable consequential damage can occur. An emergency running feature of the aggregates, such as operation with reduced Performance is not provided.
Applikationen in der Automobiltechnik werden mittels träger Sicherungen gruppengesichert; Leitungen mit großen Querschnitten sorgen für eine kurzschlußfeste Verdrahtung.applications in the automotive industry group-secured by means of carrier fuses; cables with big Cross sections provide for a short circuit proof Wiring.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine einfache, aber sichere, laufende Überwachung der elektrischen Parameter von in der Automobiltechnik eingesetzter Gleichstrom-Motoren zu entwickeln und die 'statische' Ein-/Aus-Schaltung des Motors, wie Temperatursteuerung über Widerstände und Schaltrelais, Absicherung über Temperatur-Sicherung oder die temperaturabhängige Sicherung, zu ersetzen.Of the The invention is therefore based on the object, a simple, but safe, continuous monitoring the electrical parameter of used in automotive engineering To develop DC motors and the 'static' on / off circuit of the engine, such as Temperature control over Resistors and Switching relay, protection via Temperature fuse or the temperature-dependent fuse to replace.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Erfassung und Regelung der elektrischen, mechanischen und thermischen Parameter über eine Auswerte- und Steuerelektronik laufend und dynamisch erfolgt.These Task is inventively characterized solved, that the Detection and regulation of electrical, mechanical and thermal Parameters over an evaluation and control electronics are running continuously and dynamically.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt einer statischen Ein-/Aus-Schaltung der Gleichstrommotoren, wie Temperatur-Steuerung über Bimetallrelais, eine permanente Überwachung der elektrischen, mechanischen und thermischen Parameter mittels einer Auswerte- und Steuerelektronik zu realisieren.The achievable with the present invention consist in particular that instead of a static On / off switching of the DC motors, such as temperature control via bimetallic relay to realize a permanent monitoring of the electrical, mechanical and thermal parameters by means of an evaluation and control electronics.
Das 'harte' Ausschaltmoment-Verhalten der z.Zt. installierten, statischen Ein-/Aus-Schaltung der Gleichstrom-Motoren führt zu großen Induktivitäts-Leistungsverlusten, die über die Bordnetz-Verdrahtung kompensiert werden.The 'hard' switch-off torque behavior the z.Zt. installed, static on / off switching of the DC motors leads to large inductance power losses, the above the wiring system wiring can be compensated.
Weitere Vorteile der Erfindung sind eine einfachere Handhabung der Halbleitersteuerung, eine parametrisierbare Voreinstellung der Steuerung sowie die Programmierbarkeit und Speicherfähigkeit der Auswerte- und Steuerelektronik mit der Folge einer kontrollierten Flankensteilheit. Die Steuerung der Flankensteilheit in Abhängigkeit der von der Motorleistung abhängigen Überschwinger erfolgt dank der Rückkopplungsschleife Motor/Auswerte- und Steuerelektronik.Further Advantages of the invention are a simpler handling of the semiconductor control, a parametrizable presetting of the control as well as the programmability and storage capability of Evaluation and control electronics with the result of a controlled Slope. The control of the slope in dependence the engine power dependent overshoot thanks to the feedback loop Motor / evaluation and control electronics.
Die weitergehende Beschreibung von Aufbau und ggfs. auch der Wirkungsweise der Auswerte- und Steuerelektronik für Gleichstromantriebe als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, erfolgt mit Unterstützung von Zeichnungen, die im folgenden näher beschrieben werden. Es zeigenThe further description of structure and, if necessary, the mode of action the evaluation and control electronics for DC drives as an embodiment The invention is made with the assistance of drawings that described in more detail below become. Show it
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung,
Eine weitere Ausprägungsform der erfinderischen Neuheit ist gegeben durch folgende Funktionalität
- – Spannungsregelung und -überwachung
- – Signal- und Zeitüberwachung
- – RC-Oszillator mit Ladungspumpe zur Leistungsregelung
- – Externe Leistungsregelung mit Schutzfunktion
- – Motorstrom-Messung und Überstrom-Erkennung mit Schutzmaßnahme
- – Interne und externe Temperatur-Überwachung
- – Sleep-Modus mit Wake-up-Funktion
- – Fehlerfunktions-Generator mit Signalausgang
- – Analoger Multiplex-Schalter
- – Signal-Prozessor-Interface und -Register.
- - Voltage regulation and monitoring
- - Signal and time monitoring
- - RC oscillator with charge pump for power control
- - External power control with protective function
- - Motor current measurement and overcurrent detection with protective measures
- - Internal and external temperature monitoring
- - Sleep mode with wake-up function
- - Fault generator with signal output
- - Analog multiplex switch
- - Signal processor interface and registers.
Eine weitere Ausprägung der Erfindung sieht die über den Mikroprozessor programmierbare Fehlerfunktions-Bearbeitung mit folgenden Eigenschaften vor
- – Gleichstrommotor ohne Stromversorgung
- – Drahtbrucherkennung beim Leistungsschalter oder Motor
- – Kurzschluß beim Leistungsschalter
- – Erkennung und Schutz bei blockiertem Motor
- – Kurzschlußerkennung und -schutz im Motorbereich
- – Interne und externe Übertemperatur-Erkennung und -Schutz
- – Batterieüberwachung mit Über- und Unterspannungsschutz
- – Schutz der Leistungselektronik bei Generatorbetrieb.
- - DC motor without power supply
- - Wire break detection at the circuit breaker or motor
- - Short circuit at the circuit breaker
- - Detection and protection with blocked engine
- - Short circuit detection and protection in the motor area
- - Internal and external overtemperature detection and protection
- - Battery monitoring with overvoltage and undervoltage protection
- - Protection of the power electronics during generator operation.
Die
Summe der Vorteile der Steuer- und Auswerteelektronik
Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in der Applikation
eines Kühlkreislauf-Managements
aus dem Automobilbereich gemäß
Die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzrechtsansprüche wider.The numerous possibilities and advantages of the embodiment of the invention are reflected in the number the property rights claims contrary.
- 11
- Speicher- und Ein-/Ausgabe-BausteinStorage- and input / output module
- 22
- Regelkreis-BausteinLoop module
- 33
- Leistungselektronik-BausteinPower electronics module
- 44
- Auswerte- und Steuerelektronikevaluation and control electronics
- 55
- GleichstrommotorDC motor
- 66
- Kühlkreislauf-ZustandsbeobachterCooling circuit-state observer
- E/AI / O
- Ein-/AusgabeInput / Output
- MM
- Motor/AntriebMotor / drive
- RR
- Reglervoreinstellungregulators default
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-
2005
- 2005-05-03 DE DE102005020673A patent/DE102005020673A1/en not_active Withdrawn
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