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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messwertübertragung
bei einem Elektromotor als Bestandteil einer Antriebseinheit, die
ein übergeordnetes Steuersystem zur Überwachung
der Drehzahl des Elektromotors sowie Auswerteeinrichtungen für Messsysteme
am Elektromotor aufweist, wobei der Elektromotor eine direkt am
Elektromotor angeordnete Motorsteuerung aufweist, mit der Signale
von mindestens einem Sensor verarbeitet werden und über eine
Steuerleitung an das Steuersystem übertragen werden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung
des Übertragungsverfahrens.
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Elektromotoren
sind in unterschiedlichen Antriebseinheiten eingesetzt und können,
je nach Einsatzgebiet und Leistung mit verschiedenen Motorsteuerungen
ausgestattet sein, die es erlauben beispielsweise eine Drehzahlregelung
zu realisieren. Um eine Überlastung des Elektromotors zu
vermeiden, ist häufig eine Temperaturüberwachung
am Elektromotor integriert. Häufig ist dabei die Motorsteuerung
auf einer Steuerungsplatine zusammengefasst, welche sich direkt
am oder im Gehäuse des Elektromotors befindet. Entsprechende
Temperatursensoren sind mit der Motorsteuerung verbunden, so dass
bei Überschreiten einer kritischen Temperatur der Elektromotor
abgeschaltet oder die Drehzahl reduziert werden kann.
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Häufig,
insbesondere bei komplexeren bzw. leistungsstarken Antrieben, ist
die Motorsteuerung des Elektromotors mit einem übergeordneten
Steuersystem verbunden, in dem verschiedene Betriebsphasen vorgegeben
werden und an die Motorsteuerung übertragen werden. Umgekehrt
kann es auch erforderlich sein, die gemessene Tempera tur am Elektromotor,
ggf. zusammen mit weiteren Daten, wie beispielsweise die Drehzahl
des Elektromotors, an das Steuersystem zu übertragen. Dazu
sind üblicherweise eine Vielzahl von elektrischen Signalleitungen
erforderlich, die je nach Umgebungsbedingungen Störungen
ausgesetzt sein können.
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Aus
der japanischen Schrift
JP
2001136768 ist ein Getriebemotor bekannt, wobei der Motor
eine zweiteilige Motorsteuerung aufweist, die durch verschiedene
Signalleitungen miteinander verbunden sind. Zur Reduzierung der
Anzahl der Leitungsverbindungen ist vorgesehen, dass in der ersten
Motorsteuerungseinheit aus verschiedenen Temperatursignalen von
Temperatursensoren am Motor ein Temperatursignal abgeleitet wird,
welches zusammen mit einem Drehzahlsignal des Motors verknüpft
und über eine gemeinsame Leitung an eine als Kontrolleinheit ausgebildete
zweite Motorsteuerungseinheit geleitet wird. Dabei wird das Drehzahlsignal
mit dem Temperatursignal amplitudenmoduliert. Störungen
können sich daher negativ auf die Auswertung des Signals auswirken.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Messwertübertragungsverfahren
bereitzustellen, welches eine sichere Übertragung von Messwerten und
Steuersignalen auf einer Steuerleitung sowohl in die eine als auch
in die andere Richtung gewährleistet. Es ist weiterhin
Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens bereitzustellen.
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Vorteile der Erfindung
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass über die Steuerleitung bi-direktional sowohl eine
Drehzahlvorgabe vom Steuersystem an die Motorsteuerung des Elektromotors
sowie Messwerte des Sensors von der Motorsteuerung an das Steuersystem übertragen
werden. Dieses Halbduplex-Übertragungsverfahren bietet
den Vorteil, dass über eine einzige Leitung das übergeordnete
Steuersystem (Host) der Antriebseinheit und die Motorsteuerung miteinander
kommunizieren können und Informationen, beispielsweise über
den Betriebszustand des Elektromotors, an das Steuersystem und andererseits über
die gleiche Leitung Steuersignale von dem Steuersystem an die Motorsteuerung übertragen
werden können. Damit kann der Installationsaufwand reduziert
werden. Der Elektromotor mit der Motorsteuerung kann damit als Knoten-
und Messsystem dienen, an welches alle möglichen Sensoren
und auch Aktuatoren angeschlossen werden.
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In
einer Verfahrensvariante werden als Sensoren ein oder mehrere Temperatursensoren
verwendet und mit der Motorsteuerung Temperaturwerte der Temperatursensoren
von der Motorsteuerung an das Steuersystem übertragen.
Damit lässt sich eine effiziente Temperaturüberwachung
für den Elektromotor realisieren.
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Eine
störsichere Übertragung kann beispielsweise gegenüber
dem zuvor zitierten Stand der Technik gewährleistet werden,
wenn zur Übertragung der Drehzahlvorgabe und der Messwerte
der Sensoren und/oder der Temperaturwerte der Temperatursensoren über
die Steuerleitung digitale Signale verwendet werden.
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Dabei
ist in bevorzugter Ausführungsvariante des Verfahrens vorgesehen,
dass zur Übertragung der Messwerte der Sensoren und/oder
der Temperaturwerte die Höhe des Messwertes der Sensoren und/oder
der Temperatur der einzelnen Temperatursensoren jeweils in ein digitales
Signal umgewandelt wird, bei dem eine Pulsweite des Signals entsprechend
den Messwerten der Sensoren und/oder der gemessenen Temperatur innerhalb
einer für die Pulsweitenmodulation festgelegten Periodendauer
variiert wird, wobei das Tastverhältnis des damit erzeugten
PWM-Signals (PWM steht für Pulsweitenmodulation) dem jeweiligen
Messwert der Sensoren und/oder dem Temperaturwert der einzelnen
Temperatursensoren entspricht. Derartig erzeugte Signale lassen
sich dann störsicher übertragen. Eine Decodierung
in entsprechende Sensorsignale und/oder Temperaturwerte kann dann
beispielsweise mittels einer Flankentriggerung und Auswertung der
Impulsdauer bzw. des Tastverhältnisses des PWM-Signals erfolgen.
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In
einer Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Messwerte der
Sensoren und/oder die Temperaturwerte der einzelnen Temperatursensoren
sequentiell, d. h. nacheinander für jeden Temperatursensor, übertragen
werden.
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Wird
vor jedem, dem jeweiligen Messwert der Sensoren und/oder dem Temperaturwert
der einzelnen Temperatursensoren entsprechenden PWM-Signals ein
Synchronisationssignal übertragen, bei dem ein konstantes
und eindeutiges Tastverhältnis innerhalb der Periodendauer
der Pulsweitenmodulation vorgegeben wird, ist es dem empfangenden übergeordneten
Steuersystem zu jeder Zeit möglich, alle Signalperioden
eindeutig dem jeweiligen Sensor bzw. Temperatursensor zuzuordnen.
Insbesondere wenn zuvor auf der Steuerleitung elektrische Störungen
aufgetreten sind, kann damit noch eine zuverlässige Auswertung
der übertragenen Signale erfolgen.
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Dabei
werden die Tastverhältnisse der, den PWM-Signalen vorangestellten
Synchronisationssignalen derart gewählt, dass das Tastverhältnis
jeweils kleiner ist als die den Messwerten der Sensoren und/oder
den Temperaturwerten entsprechenden Tastverhältnissen bei
den PWM-Signalen. Dies ermöglicht eine sichere Detektion
und eindeutige Zuordnung der PWM-Signale.
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In
einer bevorzugten Verfahrensvariante wird eine Umschaltung zwischen
der Übertragung der Drehzahlvorgabe und der Übertragung
der Messwerte der Sensoren und/oder der Temperaturwerte vom Steuersystem
vorgegeben. Damit kann sichergestellt werden, dass zu jeder Zeit
vom übergeordneten Steuersystem Steuersignale an die Motorsteuerung übertragen
werden können und somit beispielsweise ein Regeleingriff
innerhalb der Motorsteuerung erfolgen kann.
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So
ist beispielsweise vorgesehen, dass im Einschaltzustand des Elektromotors
zunächst ein Drehzahlmodus vorgegeben wird, bei dem eine Übertragung
der Drehzahlvorgabe über die Steuerleitung an die Motorsteuerung
erfolgt. In diesem Modus werden zunächst keine Temperaturwerte
in Form von PWM-Signalen über die Steuerleitung übertragen,
so dass ein sicheres Hochlaufen des Elektromotors mit den entsprechenden
Drehzahlvorgaben gewährleistet ist.
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Zum
Umschalten in einen Temperaturübertragungsmodus wird vom
Steuersystem ein Temperatur-Start-Signal gesendet. Dies erfolgt
in bevorzugter Verfahrensvariante dadurch, dass als Start-Signal eine
definierte Pulsfolge, z. B. als digitaler Code, vom Steuersystem
gesendet wird. Denkbar sind auch komplexere Pulsfolgen, die zudem
eine Codierung verschiedener Steuersignale ermöglichen.
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Zum
Zurückschalten auf den Drehzahlmodus ist vorgesehen, dass
vom Steuersystem für eine definierte Zeit ein konstanter
definierter elektrischer Spannungspegel auf die Steuerleitung aufgeschaltet wird.
Damit werden die PWM-Signale der Motorsteuerung überschrieben.
Da die Motorsteuerung auch während des Generierens der
PWM-Signale die Steuerleitung überwacht, erkennt die Motorsteuerung
diesen konstanten Spannungspegel und beendet die Generierung der
PWM-Signale und schaltet sich in den Drehzahlmodus.
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Bei
einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
die Temperatursensoren zur Temperaturüberwachung des Elektromotors oder
zur Temperaturüberwachung in oder an anderen Komponenten
eingesetzt werden, die sich direkt oder nahe am Elektromotor befinden.
So ist beispielsweise neben einer Temperaturüberwachung
direkt am Motor auch eine Bestimmung der Lufttemperatur im Motorgehäuse
oder die Temperaturüberwachung einer Gehäuseheizung
möglich.
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass über die Steuerleitung in Form von elektrischen digitalen
Signalen bi-direktional sowohl eine Drehzahlvorgabe von einem Drehzahlsollwertausgang
des Steuersystems an die Motorsteuerung des Elektromotors sowie
Messwerte der Sensoren von der Motorsteuerung an einen Digital-Temperatureingang
des Steuersystems übertragbar sind. Die Motorsteuerung
kann alle Sensorwerte sammeln, zusammenfassen und die zusammengefassten
Sensorinformationen als intelligente Schnittstelle über die
einzige Steuerleitung an das übergeordnete Host-System übertragen.
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Vorzugsweise
befinden sich die Sensoren direkt am Elektromotor oder sind in der
Nähe angebracht.
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Hinsichtlich
einer Temperaturüberwachung des Elektromotors und seiner
Komponenten ist mindestens einer der Sensoren ein Temperatursensor.
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In
bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Steuersystem
und die Motorsteuerung Einrichtungen zur Durchführung des Übertragungsverfahrens
gemäß den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten
aufweist. Dies betrifft insbesondere Einrichtungen zur Generierung
der PWM-Signale innerhalb der Motorsteuerung sowie die Decodierung der
PWM-Signale in entsprechende Temperaturwerte und Zuordnung zum jeweiligen
Temperatursensor innerhalb des Steuersystems. Üblicherweise
ist die Motorsteuerung auf ein oder mehreren Platinen als Subsystem
direkt am Elektromotor angeordnet, wobei die Temperatursensoren
direkt auf der bzw. den Platinen integriert sein können,
wenn diese in ausreichend thermischen Kontakt mit dem zu überwachenden
Elektromotor stehen.
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Hinsichtlich
einer einfachen Auswertung sind die elektrischen Potentialpegel
der digitalen Signale auf der Steuerleitung auf die Höhe
der Spannung einer elektrischen Leis tungsversorgung des Elektromotors
bzw. der Motorsteuerung referenziert. Damit kann erreicht werden,
dass lediglich eine Leitung zwischen dem Steuersystem und der Motorsteuerung benötigt
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor,
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2 einen
zeitlichen Verlauf von digitalen Signalen für eine Startsequenz
des Elektromotors und
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3 einen
zeitlichen Verlauf der digitalen Signale für eine Temperaturübertragungssequenz.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
schematisch eine Antriebseinheit 1 mit einem Elektromotor 40.
Diese weist als Hauptkomponenten ein übergeordnetes Steuersystem 10, einen
so genannten Host, auf welches über eine Steuerleitung 20 mit
der Motorsteuerung 30 des Elektromotors 40 verbunden
ist. Die Motorsteuerung ist als Platine ausgeführt und
befindet sich direkt am bzw. innerhalb des Gehäuses des
Elektromotors 40. Zum Betreiben des Elektromotors 40 ist
eine elektrische Leistungsversorgung 50 vorgesehen. Innerhalb der
Motorsteuerung 30 und/oder des Elektromotors 40 sind
verschiedene Temperatursensoren 60, 70 angeordnet,
die zur Überwachung des Elektromotors 40 aber
auch zur Überwachung der Motorsteuerung 30 dienen
und mit der Motorsteuerung 30 elektrisch verbunden sind.
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Erfindungsgemäß ist
innerhalb des Steuersystems 10 ein Drehzahlsollwertausgang 11 vorgesehen, über
den Drehzahlvorgaben auf die Steuerleitung 20 aufschaltbar
sind. Zum Empfangen von digitalen Signalen, insbesondere von Temperaturwerten 14 von
der Motorsteuerung 30 ist zudem ein Digital-Eingang 13 vorgesehen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der in
den 2 und 3 dargestellten zeitlichen Signalverläufe 80 der
digitalen Signale auf der Steuerleitung 20 näher
erläutert, wobei jeweils ein Signalpegel 81 in
Abhängigkeit der Zeit 82 dargestellt ist. Gezeigt
sind beispielhaft zwei unterschiedliche Betriebszustände
für den Elektromotor 40.
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2 zeigt
eine Startsequenz 90 für den Elektromotor 40.
Zunächst ist in einem anfänglichen Zeitabschnitt
für einen Ruhezustand 91 ein konstantes Signal
auf der Steuerleitung 20 aufgeschaltet (High-Pegel USS). Zum Starten der Übertragung
von Temperaturwerten 14 von der Motorsteuerung 30 an das
Steuersystem 10 wird von dem Steuersystem 10 ein
Start-Signal 92 auf die Steuerleitung 20 aufgeschaltet,
welches im gezeigten Beispiel aus drei aufeinander folgenden hinsichtlich
Frequenz und Tastverhältnis gleichen Pulsen 93 gebildet
ist. Nach einer voreinstellbaren Verzögerungszeit 94 beginnt
dann eine Temperaturübertragungssequenz 100, in
der die codierten Temperaturwerte 14 übertragen
werden.
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3 zeigt
beispielhaft die Temperaturübertragungssequenz 100.
Dabei wird zur Übertragung der Temperaturwerte 14 die
Höhe der Temperatur T1 und T2 der einzelnen Temperatursensoren 60, 70 jeweils
in ein digitales Signal umgewandelt wird, bei dem eine Pulsweite
des Signals entsprechend der gemessenen Temperatur innerhalb einer
für die Pulsweitenmodulation festgelegten Periodendauer 101 variiert
wird. Das Tastverhältnis der damit erzeugten PWM-Signale 104, 105 entspricht
dem jeweiligen Temperaturwert T1 und T2 der einzelnen Temperatursensoren 60, 70.
So entspricht das PWM-Signal 104 mit dem entsprechenden
Tastverhältnis der Temperatur T1, welche mit dem ersten
Temperatursensor 60 bestimmt und das PWM-Signal 105 mit
dem entsprechenden Tastverhältnis der Temperatur T2, welche
mit dem zweiten Temperatursensor 70 bestimmt wurde.
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Vor
jedem, dem jeweiligen Temperaturwert 14 der einzelnen Temperatursensoren 60, 70 entsprechenden
PWM-Signals 104, 105 wird ein Synchronisationssignal 102, 103 Sync_T1,
Sync_T2 übertragen, bei dem ein konstantes und eindeutiges Tastverhältnis
innerhalb der Periodendauer 101 der Pulsweitenmodulation
vorgegeben wird. Dabei werden die Tastverhältnisse der,
den PWM-Signalen 104, 105 vorangestellten Synchronisationssignalen 102, 103 Sync_T1,
Sync_T2 derart gewählt, dass das Tastverhältnis
jeweils kleiner ist als die den Temperaturwerten 14 entsprechenden
Tastverhältnisse bei den PWM-Signalen 104, 105.
Dies ermöglicht eine sichere Detektion und Zuordnung der PWM-Signale 104, 105.
Die Temperaturwerte 14 T1 und T2 der einzelnen Temperatursensoren 60, 70 werden
sequentiell, d. h. nacheinander für jeden Temperatursensor 60, 70, übertragen.
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Neben
der Übertragung von Temperaturwerten 14 verschiedener
Temperatursensoren 60, 70 können mit
dem Verfahren auch andere Sensorsignale von anderen Sensoren innerhalb
der Motorsteuerung bzw. in oder am Elektromotor übertragen
werden. Einerseits wird mit diesem bi-direktionalen Verfahren und
der Vorrichtung der Installationsaufwand reduziert und andererseits,
durch die spezielle Aufbereitung der Signale, eine störsichere Übertragung gewährleistet.
Ein derartiges Messwertübertragungsverfahren kann beispielsweise
bei Schrittmotoren, elektrischen Anlassmotoren für Brennkraftmaschinen oder
bei Fahrzeug-Elektroantrieben eingesetzt werden, die direkt am Motorblock
eine Motorsteuerplatine aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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