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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines permanent erregten Gleichstrommotors in einem Kraftfahrzeug, bei welchem der permanent erregte Gleichstrommotor bei einer übermäßigen Erwärmung abgeschaltet wird.
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Aus
DE 100 37 779 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem der Elektromotor bei einer übermäßigen Erwärmung abgeschaltet wird, gekennzeichnet durch folgend Schritte:
- – Beginnen des Elektromotorbetriebs;
- – Prüfen einer Umdrehungsgeschwindigkeit des Elektromotors unter Last;
- – Beendendes Elektromotorbetriebs, falls die Umdrehungsgeschwindigkeit des Elektromotors unter der Last kleiner als ein Schwellwert ist (Absatz [0042]: „Wenn die Drehzahl N kleiner als der Schwellwert N1 ist oder wenn die Temperatur T am Temperaturfühler 5 größer als der Schwellwert T1 ist, dann wird der Elektromotor M umgehend abgeschaltet”),
- – nach Verstreichen einer ersten Wartezeit (Absatz [0047]:”... nur dann abzustellen, wenn die Überschreitung eines Schwellwertes beim nächsten Zyklus oder bei mehreren aufeinanderfolgenden Zyklen erneut festgestellt wird.”
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Die
DE 100 02 242 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schutz eines permanent erregten Gleichstrommotors vor thermischer Überlastung. Hierzu wird eine mindestens einen temperaturabhängigen Motorparameter, vorzugsweise Ankerwiderstand und magnetische Flussdichte, und mindestens eine Motorkenngröße, vorzugsweise Motorspannung, Ankerstrom und Motordrehzahl, verknüpfende Motorengleichung anhand eines Motorenmodells für den permanent erregte Gleichstrommotor definiert. Der Wert der temperaturabhängigen Motorparameter wird anhand der Motorengleichungen für die Messzeitpunkte eines Messvorgangs bestimmt. Der Absolutwert der Temperatur des permanent erregten Gleichstrommotors wird anhand der in den Messzeitpunkten eines Messvorgangs abgeleiteten Motorengleichungen unter Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhangs zwischen den temperaturabhängigen Motorparameter und der Temperatur ermittelt. Falls der ermittelte Absolutwert der Temperatur des permanent erregten Gleichstrommotors eine vorgegebene Grenztemperatur erreicht, werden für den Stromfluss durch den permanent erregten Gleichstrommotors definierte Maßnahmen getroffen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schutz eines permanent erregten Gleichstrommotors vor übermäßiger Erwärmung in einem Kraftfahrzeug einfacher und kostengünstiger zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Um ein einfacheres Verfahren zum Abschalten eines permanent erregten Gleichstrommotors in einem Kraftfahrzeug bei übermäßiger Erwärmung zu schaffen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass folgende Schritte ausgeführt werden:
- a) Beginnen des Elektromotorbetriebs;
- b) Prüfen eines D-Verhältnisses einer Umdrehungsgeschwindigkeit des permanent erregten Gleichstrommotors unter Last zu einer Umdrehungsgeschwindigkeit des permanent erregten Gleichstrommotors ohne Last;
- c1) Beenden des Elektromotorbetriebs nach Verstreichen einer ersten Wartezeit, falls das D-Verhältnis kleiner als ein D-Verhältnis-Schwellwert, hier bezeichnet als DV-Schwellwert ist; oder
- c2) Fortsetzen des Elektromotorbetriebs, falls das D-Verhältnis größer gleich der DV-Schwellwert ist.
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Hierbei kann ein kleines D-Verhältnis des Motors durch die mit ihm gekoppelten, durch ihn zu bewegenden Fahrzeugkomponenten verursacht werden, wodurch sich dieser erwärmt. Je höher die Motorlast, desto kleiner ist das D-Verhältnis. Im Extremfall, im blockierten Zustand, wenn sich der Motor überhaupt nicht mehr dreht, ist das D-Verhältnis gleich 0. Im lastfreien Betrieb ist das D-Verhältnis gleich 1. Die Auswirkungen einer hohen Motorlast, beziehungsweise eines kleinen D-Verhältnisses werden durch Betriebsgrößen des Elektromotors repräsentiert, die zwei Kategorien zugeordnet werden können: Betriebsgrößen erster Ordnung, die mit einfachen Mitteln zu messen sind, beispielsweise die Umdrehungsgeschwindigkeit beziehungsweise das D-Verhältnis sowie eine erste Wartezeit bis zum Aussetzen des Motorbetriebs, und Betriebsgrößen zweiter Ordnung, deren Messung vermieden werden soll, beispielsweise eine Motortemperatur oder ein Motorstrom. Vorteilhafter Weise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur Betriebsgrößen erster Ordnung gemessen.
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Mit zunehmender Wartezeit seit Beginn des Lastzustands erwärmt sich der Motor zunehmend. Die erste Wartezeit bis zum Absetzen des Motorbetriebs, die gegebenenfalls auch gleich Null sein kann, wird so eingestellt, dass eine höchst zulässige Erwärmung des Motors nicht überschritten wird, wobei in einem Testbetrieb ein Zusammenhang zwischen Erwärmung und Wartezeit ermittelt wird. Der Testbetrieb ist dadurch definiert, dass dabei Betriebsgrößen erster als auch zweiter Ordnung gemessen werden und dabei ein Zusammenhang zwischen den Betriebsgrößen erster und zweiter Ordnung ermittelt wird, beispielsweise in Form eines Lookup-Tables. Demgegenüber ist der Normalbetrieb so definiert, dass in dieser Betriebsform nur die Betriebsgrößen erster Ordnung gemessen werden. Die Betriebsgrößen zweiter Ordnung fließen erfindungsgemäß in besonders vorteilhafter Weise mittels des im Testbetrieb gewonnenen Lookup-Tables in die Steuerung ein.
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Des weiteren ist eine zweite Wartezeit einstellbar, wobei nach Beenden des Elektromotorbetriebs im Schritt c1) folgender Schritt ausgeführt wird:
- d) Beginnen des Elektromotorbetriebs nach Verstreichen der zweiten Wartezeit.
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Der Motorbetrieb wird also nach Abklingen der zweiten Wartezeit wieder aufgenommen, in der Erwartung, dass sich die Blockierung, beziehungsweise der erhöhte Lastzustand in der Zwischenzeit gelöst hat. Die zweite Wartezeit wird so eingestellt, dass eine Abkühlung des Motors erreicht wird. Alternativ beziehungsweise ergänzend zum Warten ist auch ein Drehen des Motors in die Gegenrichtung (entgegen der Blockierung) möglich. Das Ausfahren einer kurzen Bewegung in Gegenrichtung kann ebenfalls eine Abkühlung des Motors bringen und kann unter Umständen zu einem Auflösen der Blockierung beziehungsweise des erhöhten Lastzustands führen.
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Eine weitere, dritte Wartezeit ist einstellbar, wobei nach Beginnen des Elektromotorbetriebs im Schritt a) folgender Schritt ausgeführt wird:
- e) Beenden des Elektromotorbetriebs nach Verstreichen der dritten Wartezeit, falls die Mittel zum Messen der Umdrehungsgeschwindigkeit nicht betriebsbereit sind.
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Mit anderen Worten wird bei Ausfall des für die Messung der Umdrehungsgeschwindigkeit zuständigen Sensors der Motorbetrieb während einer dritten Wartezeit fortgesetzt. Falls die gewünschte Endposition der mit dem Motor verbundenen, zu bewegenden Komponente, vorzugsweise einer elektrisch verstellbaren Lenksäule oder eines elektrischen Fensterhebers, während dieser Zeit nicht erreicht wird, setzt der Motor seinen Betrieb aus.
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Im Testbetrieb wird eine Elektromotortemperatur erfasst, wobei ein kausaler Zusammenhang zwischen dem D-Verhältnis und der Elektromotortemperatur ermittelt wird. Dieser Zusammenhang ist bedeutend für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie für die damit verbundene Vereinfachung des Überhitzungsschutzes für den Elektromotor. Ferner besteht auch ein Zusammenhang zwischen der ersten Wartezeit und der Elektromotortemperatur, sofern der Motor unter erhöhter Last arbeitet. Die im Testbetrieb eingesetzte Steuerung umfasst Mittel zum Messen der Motortemperatur, beispielsweise zumindest einen Temperatursensor. Die im Normalbetrieb eingesetzte Steuerung umfasst keine Temperatursensoren, eine Information über die Motortemperatur wird erfindungsgemäß mittels der Drehgeschwindigkeit des Motors und der ersten Wartezeit gewonnen.
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Der DV-Schwellwert, der gegebenenfalls auch gleich Null sein kann, sofern eine Abschaltung des Motors nur im Fall des Blockierens gewünscht ist, wird so eingestellt, dass eine höchst zulässige Erwärmung des Motors nicht überschritten wird. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Tatsache, dass im Normalbetrieb des Motors als einziger Parameter die Umdrehungsgeschwindigkeit des Elektromotors zu erfassen ist, was den Aufbau des Motors und der Steuerung erheblich vereinfacht und mit entsprechender Kostenersparnis bei der Herstellung, Installation und Wartung des Motors einhergeht.
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Im Testbetrieb wird ein Stromwert des Elektromotors erfasst, wobei ein kausaler Zusammenhang zwischen dem D-Verhältnis und dem Stromwert ermittelt wird. Die im Testbetrieb eingesetzte Steuerung umfasst Sensoren zum Messen des Motorstroms. Im Normalbetrieb des Motors ist keine direkte Messung des Stroms vorgesehen, eine Information über den Stromwert ist aber aufgrund der im Motor eingesetzten Halbleiterbauelemente sowie der weiteren Elemente von Bedeutung, weil diese bei überhöhtem Strom beschädigt werden können. Auf vorteilhafte Weise wird die Information über den Stromwert mittels Drehgeschwindigkeit des Motors und erster Wartezeit gewonnen.
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Im Testbetrieb umfasst die Steuerung eine einstellbare erste Wartezeit und ein Lookup-Table, wobei nach Beginnen des Elektromotorbetriebs im Schritt
- a) folgende Schritte ausgeführt werden:
- f) Erhöhen der Motorlast, bis ein gewünschtes D-Verhältnis, auch bezeichnet als DV erreicht wird;
- g) Verstreichen der ersten Wartezeit;
- h) Messen der Elektromotortemperatur;
- i) Aufzeichnen eines Werte-Trippels D-Verhältnis, Wartezeit und Temperatur;
- j) Wiederholen der Schritte f) bis i), wobei sowohl die erste Wartezeit als auch das D-Verhältnis variiert werden und die Zahl der Wiederholungen einstellbar ist;
- k) Erstellen des Lookup-Table umfassend die aufgezeichneten Werte-Trippel D-Verhältnis, erste Wartezeit und Temperatur.
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Somit wird im Testbetrieb mittels einer Messreihe ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Motortemperatur einerseits und dem D-Verhältnis sowie der ersten Wartezeit andererseits in Form des numerischen Lookup-Tables erfasst. Zur Ermittlung der D-Verhältnisse wird zu Beginn der Messreihe die Motordrehgeschwindigkeit im lastfreien Zustand und anschließend die Motordrehgeschwindigkeit mit unterschiedlichen Lastzuständen gemessen, wobei jeweils das Verhältnis der Motordrehgeschwindigkeit im Lastzustand zur Motordrehgeschwindigkeit im lastfreien Zustand ermittelt wird. Das so gewonnene Lookup-Table wird dann im Normalbetrieb eingesetzt, um eine Ermittlung der Betriebsgrößen zweiter Ordnung allein durch Messen von Betriebsgrößen erster Ordnung zu ermöglichen.
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Im Normalbetrieb werden die erste Wartezeit und das D-Verhältnis so eingestellt, dass gemäss des Lookup-Table die einstellbare Temperatur nicht überschritten wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Messung der Motortemperatur ersetzt und zugleich eine Überwärmung des Motors vermieden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
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1 ein Schaubild der am erfindungsgemäßen Verfahren beteiligten Komponenten eines Kraftfahrzeugs im Testbetrieb, in
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2 ein Schaubild der am erfindungsgemäßen Verfahren beteiligten Komponenten des Kraftfahrzeugs im Normalbetrieb, und in
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3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug.
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In der ersten, in 1 gezeigten Ausführungsform der am erfindungsgemäßen Verfahren beteiligten Komponenten eines Kraftfahrzeugs 10 im Testbetrieb ist eine Steuereinrichtung 12 so ausgebildet, dass sie die Betriebsgrößen erster und zweiter Ordnung eines damit verbundenen Elektromotors 14 erfasst. Der Elektromotor 14 ist an eine elektrisch verstellbare Lenksäule 16 gekoppelt, die zugleich die Nutzlast des Elektromotors 14 darstellt.
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Die elektrische Steuereinrichtung 12 umfasst eine Vielzahl von Sensoren zur Messung der Betriebsgrößen des Elektromotors: einen Drehzahlsensor 18, einen Stromsensor 20, einen Temperatursensor 22. Ein Timer 24 ist dazu ausgelegt, die unterschiedlichen Wartezeiten zu steuern, die mit dem Ablauf des Verfahrens verbunden sind.
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Eine Steuerlogik 26 verarbeitet die von den Sensoren 18, 20, 22 erfassten Betriebsgrößen des Elektromotors, steuert den Elektromotor 14 sowie die damit gekoppelte Lenksäule 16 und führt Messreihen der Betriebsgrößen des Elektromotors durch. Diese Messreihen stellen einen Zusammenhang zwischen den Betriebsgrößen erster und zweiter Ordnung des Elektromotors her und werden in einen Lookup-Table 28 gespeichert.
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In der zweiten, in 2 gezeigten Ausführungsform der am erfindungsgemäßen Verfahren beteiligten Komponenten eines Kraftfahrzeugs 10 im Normalbetrieb ist eine Steuereinrichtung 12 so ausgebildet, dass sie die Betriebsgrößen erster Ordnung eines damit verbundenen Elektromotors 14 erfasst. Die Unterschiede zu der in 1 gezeigten Ausführungsform ist durch die unterschiedlichen Betriebsmodi (Normalbetrieb und Testbetrieb) bedingt. Im Normalbetrieb (2) werden nur Betriebsgrößen erster Ordnung mittels Drehzahlsensor 18 und Timer 24 erfasst, wobei im Testbetrieb (1) zusätzlich auch Betriebsgrößen zweiter Ordnung mittels Stromsensor 20 und Temperatursensor 22 erfasst werden. Ferner arbeitet im Testbetrieb die Steuerlogik 26 so, dass sie die mit unterschiedlichen Belastungen des Elektromotors 14 zusammenhängenden Betriebsgrößen erster und zweiter Ordnung in das Lookup-Table 28 aufzeichnet. Im Normalbetrieb arbeitet die Steuerlogik 26 so, dass sie die Werte aus dem Lookup-Table 28 einliest und mittels gemessener Betriebsgrößen erster Ordnung die Betriebsgrößen zweiter Ordnung ermittelt.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezug auf 3 als Funktionsweise der Komponenten in den Ausführungsbeispielen nach 1 und 2 beschrieben.
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Der Grundzustand des Elektromotors ist der Ruhezustand (Schritt S10). Dieser Zustand wird durch manuelles Bedienen verlassen, beispielsweise wenn der Fahrer die elektrisch verstellbare Lenksäule 16 handhabt. Dadurch wird der Motorbetrieb begonnen (Schritt S12) und anschließend wird eine Sensorenprüfung (Schritt S14) durchgeführt.
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Falls die Sensoren 18, 20, 22, insbesondere der Drehzahlsensor 18, nicht betriebsfähig sind, wird der Motorbetrieb eine Zeit lang (Schritt S16) fortgesetzt, wobei diese Zeit der dritten Wartezeit T3 entspricht. Diese dritte Wartezeit T3 ist gemäss Lookup-Table 28 so bemessen, dass im ungünstigsten Fall (D-Verhältnis gleich Null, beziehungsweise Blockieren des Motors) eine übermäßige Erwärmung des Elektromotors 14 verhindert wird. Zugleich soll durch Fortsetzen des Motorbetriebs ermöglicht werden, dass auch bei ausgefallenen Sensoren 18, 20, 22 die Endposition der elektrisch verstellbaren Lenksäule 16 erreicht wird. Falls beim Prüfen der Endposition (Schritt S18) festgestellt wird, dass diese nicht erreicht ist, wird der Motorbetrieb ausgesetzt (Schritt S20). Nach Verstreichen einer Wartezeit T2 (Schritt S21), die so bemessen ist, dass ein Abkühlen des Elektromotors 14 ermöglicht wird, kehrt das System in den Ruhezustand (Schritt S10) zurück, wobei der Fahrer durch ein erneutes manuelles Bedienen versuchen kann, die gewünschte Position der Lenksäule 16 zu erreichen.
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Falls die Prüfung (Schritt S14) ergibt, dass die Sensoren betriebsfähig sind, findet die Prüfung (Schritt S22) des D-Verhältnisses DV statt.
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Falls die Prüfung (Schritt S22) ergibt, dass das D-Verhältnis DV kleiner als die DV-Schwelle DVS ist, wobei also eine Überlastung oder sogar eine Blockierung des Motors 14 stattfindet, wird der Betrieb eine Zeit lang (Wartezeit T1/Schritt S24) aufrechterhalten. Dabei ist die Wartezeit, bei dem aktuell vorliegenden D-Verhältnis, gemäss Lookup-Table 28 so bemessen, dass eine übermäßige Erwärmung des Motors verhindert wird. Sofern nach Verstreichen der ersten Wartezeit T1 (Schritt S24) die Endposition (Schritt S18) erreicht ist, wird der Motorbetrieb beendet (Schritt S26), sonst wird der Motorbetrieb ausgesetzt (Schritt S20) und bleibt solange ausgesetzt, bis eine Abkühlung stattfindet (Schritt S21).
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Falls die Prüfung (Schritt S22) ergibt, dass das D-Verhältnis DV größer gleich die DV-Schwelle DVS ist, wird der Motorbetrieb fortgesetzt (Schritt S28), bis die Endposition erreicht ist, danach wird der Motorbetrieb beendet (Schritt S26).
