DE102009001258A1

DE102009001258A1 - Verfahren zur Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102009001258A1
Application number: DE102009001258A
Authority: DE
Inventors: Frank Baehrle-Miller; Dieter Blattert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-09
Also published as: WO2010099986A3; WO2010099986A2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors werden zumindest die Spannung und der Strom gemessen, wobei eine Motorkonstante des Elektromotors als eine Funktion dieser Messgrößen ermittelt wird. Der Elektromotor arbeitet in einem thermisch zulässigen Bereich, wenn die Motorkonstante einen zugeordneten Schwellenwert nicht überschreitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2006 052 810 A1 ist ein Verfahren zur Abschätzung einer Kraftentfaltung eines an eine Versorgungsspannung anschließbaren Elektromotors bekannt, der als Aktuator einer Feststellbremse eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird. Hierzu werden der Strom, die Versorgungsspannung sowie die Motordrehzahl gemessen, wobei die Zuspannkraft des Elektromotors unter Berücksichtigung der Messgrößen aus einem Differenzialgleichungssystem abgeschätzt wird, welches das elektrische und mechanische Verhalten des Elektromotors beschreibt.
Bei dem Einsatz von Elektromotoren beispielsweise als Park- bzw. Feststellbremse in Kraftfahrzeugen ist zu berücksichtigen, dass hohe Stellkräfte zur Erzeugung der benötigten Bremskraft erforderlich sind, was zu einer starken Motorerwärmung führen kann, die zu einer Verringerung des abzugebenden Motormomentes führt und ggf. den Elektromotors schädigt. Eine starke Erwärmung erfolgt beispielsweise bei einem wiederholten Abrufen der Stellbewegung des Elektromotors innerhalb kurzer Zeit.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen und kostengünstig zu realisierenden Maßnahmen die thermische Belastung eines Elektromotors zu überwachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors werden zumindest die Spannung und der Strom sowie ggf. die Motordrehzahl gemessen, wobei eine Motorkonstante des Elektromotors, die das Verhältnis von Motordrehmoment zum aufgenommenen Strom beschreibt, als Funktion dieser Messgrößen ermittelt wird. Die Motorkonstante hängt von der Motortemperatur ab, wobei mit steigender Temperatur die Motorkonstante fällt. Um eine Motorschädigung zu vermeiden, bei der beispielsweise ein erhöhter Bürstenverschleiß entsteht oder Magnete des Elektromotors zumindest teilweise entmagnetisiert werden, muss die Motortemperatur überwacht werden, wobei der aktuelle Wert der Motorkonstanten als Maß für die aktuelle Motortemperatur herangezogen wird.
Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Temperatur nicht gemessen werden muss, so dass auf einen Temperatursensor verzichtet werden kann. Als Messwerte genügen vielmehr der vom Motor aufgenommene Strom, die Spannung sowie die Motordrehzahl, wobei diese Größen mit einer Standard-Sensorik gemessen werden können. Insgesamt verringert sich dadurch der Aufwand für die Sensorik zur Ermittlung der Motortemperatur.
Sofern die Auswertung der Motorkonstanten ergibt, dass ein zugeordneter Schwellenwert nicht überschritten wird, arbeitet der Elektromotor in einem thermisch zulässigen Bereich, in welchem die Funktionen des Elektromotors keinen Einschränkungen unterliegen. Der Elektromotor ist vielmehr voll einsatzfähig und kann in der gewünschten Weise betrieben bzw. betätigt werden.
Ergibt dagegen die Auswertung der Motorkonstanten, dass der zulässige Schwellenwert überschritten wird, so deutet dies auf eine erhöhte Temperatur hin, woraufhin Maßnahmen ergriffen werden können, die von einer Protokollierung des Überschreitens der zulässigen Motorkonstanten bzw. des zulässigen Temperaturbereichs über eine Anzeige im Fahrzeug bis hin zu einer Einschränkung der Funktionalität des Aggregats reichen können, in welchem der Elektromotor den Aktuator stellt.
Die thermische Belastung des Elektromotors kann alternativ zur Motorkonstanten auch über den elektrischen Motorwiderstand des Elektromotors ermittelt werden. Auch der Motorwiderstand kann als Funktion der Messgrößenspannung, Strom und ggf. Motordrehzahl berechnet werden, wobei ein thermisch zulässiger Bereich vorliegt, wenn der Motorwiderstand einen zugeordneten Schwellenwert nicht überschreitet. Der Motorwiderstand kann alternativ oder zusätzlich zur Motorkonstanten überprüft werden, wobei in einer bevorzugten Ausführung der Motorwiderstand und die Motorkonstante beide innerhalb des jeweils zugeordneten, zulässigen Bereiches liegen müssen, damit der Elektromotor innerhalb des thermisch zulässigen Bereiches arbeitet. Dies bedeutet, dass eine unzulässig hohe thermische Belastung bereits vorliegt, wenn nur eine der Kenngrößen – die Motorkonstante oder der Motorwiderstand – den jeweils zugeordneten Schwellenwert überschreitet. Grundsätzlich möglich ist es aber auch, nur eine der beiden Größen, also entweder nur die Motorkonstante oder nur den Motorwiderstand, auf Überschreitung des zugeordneten Schwellenwertes zu überprüfen. Außerdem ist es auch möglich, dass ein thermisch unzulässiger Bereich nur dann gegeben ist, wenn beide Größen, also sowohl die Motorkonstante als auch der Motorwiderstand, den jeweils zugeordneten Grenzwert überschreiten.
Bei der Abfrage, ob die Motorkonstante bzw. der Motorwiderstand innerhalb des zulässigen Bereiches liegen, können je nach dem, ob der Motor unter Last arbeitet oder nicht, unterschiedliche Berechnungs- bzw. Ermittlungsmethoden eingesetzt werden. Falls der Elektromotor lastfrei arbeitet, werden die Motorkonstante und der Motorwiderstand in Abhängigkeit der Messgrößen Spannung, Strom und Motordrehzahl ermittelt. Falls der Motor unter Last steht, wird dagegen zweckmäßigerweise aus den Messgrößen Strom und Spannung in an sich bekannter Weise die aufgenommene Leistung des Elektromotors aus dem Produkt von Strom und Spannung berechnet, wobei aus der Leistung gemäß eines funktionalen Zusammenhangs auf eine Temperaturerhöhung geschlossen werden kann. Die Temperaturerhöhung wirkt sich wiederum auf die Motorkonstante bzw. den Motorwiderstand aus, so dass ausgehend von einem Initialwert für die Motorkonstante bzw. den Motorwiderstand auf einen aktuellen, temperaturabhängigen Wert geschlossen werden kann. Ein thermisch zulässiger Bereich liegt vor, falls der auf diese Weise ermittelte Wert für den Motorwiderstand bzw. die Motorkonstante innerhalb des zulässigen Bereiches liegt.
Im lastfreien Zustand werden die Motorkonstante und der Motorwiderstand zweckmäßigerweise aus einer Beziehung ermittelt, die sich aus der stationären Betrachtung der elektrischen Differenzialgleichung des Elektromotors ergibt und in die die Messgrößen Strom, Spannung und Motordrehzahl einfließen. In dieser Beziehung sind die Messgrößen sowohl mit dem Motorwiderstand als auch der Motorkonstanten verknüpft, wobei als zusätzliche Bedingung ein mathematisches Ausgleichsverfahren berücksichtigt werden kann, beispielsweise die Methode der kleinsten Fehlerquadrate, um eine mathematisch eindeutige Lösung zu erhalten. Da die Messwerte mit einer kleinen Abtastrate von beispielsweise 5 ms ermittelt werden, kann in diesem Takt ein Gleichungssystem für die Berechnung von Motorkonstante und Motorwiderstand unter Berücksichtigung des mathematischen Ausgleichsverfahrens rekursiv gelöst werden.
Für den Fall des Überschreitens des Schwellenwertes können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Zweckmäßigerweise wird der Elektromotor zumindest für eine begrenzte Zeitspanne stillgelegt, um eine unzulässig hohe Erwärmung zu vermeiden bzw. um ein Abkühlen des Elektromotors zu ermöglichen. Die Zeitspanne, in welcher der Elektromotor außer Kraft gesetzt ist, ist begrenzt, wobei als Zeitspanne ein fester Wert vorgegeben werden kann. Gegebenenfalls kommt auch eine variable Zeitspanne in Betracht, die von einem oder mehreren Zustandsgrößen oder Kenngrößen des Systems abhängt. Die Deaktivierung kann zum Einen in der Weise erfolgen, dass Fahreranforderungen mit einer der Zeitspanne entsprechenden Verzögerung in eine Betätigung des Elektromotors umgesetzt werden. Dies bedeutet, dass während der Deaktivierung des Elektromotors eine Fahrer- oder Systemanforderung nicht unmittelbar, sondern verzögert umgesetzt wird. Zum andern ist auch eine Strategie möglich, dass während der Deaktivierungsphase vorliegende Anforderungen ignoriert und auch nach Ablauf der Deaktivierungsphase nicht umgesetzt werden.
Des Weiteren ist es möglich, dass der Elektromotor in einer Betätigungsstellung arretiert und anschließend deaktiviert wird, in welcher der Elektromotor eine Kraft bzw. ein Moment auf ein weiteres Bauteil wie z. B. ein Bremsteil ausübt. Die Deaktivierung kann aber auch in einer Außerbetriebsposition des Elektromotors erfolgen oder in Zwischenstellungen mit reduzierter Kraft- bzw. Momentenübertragung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors werden automatisch auch produktionsbedingte Streuungen im Wert der Motorkonstanten bzw. des Motorwiderstandes berücksichtigt. Über die Vorgabe des jeweiligen Schwellenwertes für die Motorkonstante bzw. den Motorwiderstand wird ungeachtet der tatsächlichen Ausführung des Elektromotors eine Kenngröße definiert, welche die thermische Belastung des Elektromotors repräsentiert.
Die Schwellenwerte, die der Motorkonstanten bzw. dem Motorwiderstand zugeordnet sind, sind zweckmäßigerweise als feste Größen vorgegeben. Grundsätzlich in Betracht kommt aber auch ein variabler Schwellenwert, welcher sich in Abhängigkeit von Zustands- oder Kenngrößen berechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in einem Regel- bzw. Steuergerät ab und kann auf Elektromotoren angewandt werden, die beispielsweise Bestandteil eines Bremssystems sind. Hier kommt insbesondere eine Ausführung des Bremssystems als elektrische Parkbremse in Betracht, bei dem der Elektromotor im Betriebsfall ggf. mithilfe eines Untersetzungsgetriebes eine Klemmkraft auf eine Bremsenkomponente ausübt.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der ein Ablaufdiagramm mit den Verfahrensschritten zur Durchführung der Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors dargestellt ist.
Wie dem Ablaufdiagramm zu entnehmen, werden zunächst in einem ersten Verfahrensschritt V1 als Messgrößen die Spannung U, der Strom I und die Motordrehzahl ω mithilfe einer geeigneten Sensorik in einem thermisch zu überwachenden Elektromotor ermittelt, der beispielsweise als Aktuator in einer Feststell- bzw. Parkbremse eingesetzt wird.
In einem nächsten Verfahrensschritt V2 wird eine Abfrage gestartet, ob der Elektromotor sich im lastfreien Zustand oder unter Last befindet. Hierzu wird abgefragt, ob ein auf den Elektromotor wirkendes Lastmoment M_L anliegt, welches gleich null ist. In diesem Fall würde sich der Elektromotor im lastfreien Zustand befinden, anderenfalls wäre der Elektromotor unter Last.
Sofern die Abfrage im Verfahrensschritt V2 ergibt, dass sich der Elektromotor im lastfreien Zustand befindet, wird der ja-Verzweigung („Y”) folgend zum nächsten Verfahrensschritt V3 fortgefahren, in welchem eine Motorkonstante K_M sowie ein elektrischer Motorwiderstand R_M als Funktion der Messgrößen Spannung U, Strom I und Motordrehzahl ω berechnet werden. Die Motorkonstante K_M bezeichnet eine Drehmomentkonstante, die das Verhältnis von Motordrehmoment zum aufgenommenen Strom beschreibt. Sowohl die Motorkonstante K_M als auch der Motorwiderstand R_M sind temperaturabhängig.
In Verfahrensschritt V3 erfolgt die Berechnung der Motorkonstanten KM und des Motorwiderstandes R_M als Funktion der Messgrößen Spannung U, Strom I und Motordrehzahl ω. Die Berechnung erfolgt unter Zugrundelegung der Beziehung U = RM·I + KM·ω,die aus dem stationären Fall der elektrischen Differentialgleichung
des Elektromotors ermittelt wird, wobei mit L die Motorinduktivität bezeichnet ist.
Um ein mathematisch bestimmtes Gleichungssystem zu erhalten, wird als zusätzliches Kriterium ein mathematisches Ausgleichsverfahren berücksichtigt, beispielsweise die Methode der kleinsten Fehlerquadrate, so dass sowohl die Motorkonstante K_M als auch der Motorwiderstand R_M berechnet werden können.
Ergibt die Abfrage im Verfahrensschritt V2, dass der Elektromotor unter Last steht (Motorlast größer null), so wird der nein-Verzweigung („N”) folgend zum Verfahrensschritt V4 fortgefahren, in welchem die Motorkonstante K_M und der Motorwiderstand R_M als Funktion der elektrischen Leistung P ermittelt werden.
Aus den Messgrößen U und I kann die elektrische Leistung P des Elektromotors aus der bekannten Beziehung P = U·Iberechnet werden, aus der gemäß eines bekannten funktionalen Zusammenhangs nach ΔT = f(P)auf eine Temperaturerhöhung ΔT geschlossen werden kann. Die Motorkonstante KM wird unter Berücksichtigung einer Referenz-Motorkonstanten K_M20 für Raumtemperatur und eines Temperaturbeiwerts κ als Funktion der Temperaturerhöhung ΔT gemäß KM = KM20 (1 + κΔT)berechnet.
In analoger Weise kann der Motorwiderstand R_M unter Berücksichtigung eines Referenz-Motorwiderstands R_M20 für Raumtemperatur und eines Temperaturbeiwerts α als Funktion der Temperaturerhöhung ΔT gemäß RM = RM20 (1 + αΔT)berechnet werden.
Im Anschluss an die Verfahrensschritte V3 bzw. V4 wird zum nächsten Verfahrensschritt V5 fortgefahren, in welchem sowohl die Motorkonstante K_M als auch der Motorwiderstand R_M jeweils auf Überschreiten eines zugeordneten Grenz- bzw. Schwellenwertes K_M _, _Lim bzw. R_M _, _Lim abgeprüft werden. Auf Grund ihrer Temperaturabhängigkeit stellen sowohl die Motorkonstante K_M als auch der Motorwiderstand R_M Kenngrößen für den aktuellen thermischen Zustand des Elektromotors dar. Überschreiten die Motorkonstante KM und der Motorwiderstand R_M jeweils den zugeordneten Schwellenwert, so liegt eine thermische Überlastung des Elektromotors vor und es müssen weitere Maßnahmen zum Schutz des Elektro motors ergriffen werden. In bevorzugter Ausführung wird von einer thermischen Überlastung ausgegangen, auch wenn nur entweder nur die Motorkonstante K_M oder nur der Motorwiderstand R_M über dem jeweils zugeordneten Schwellenwert liegt. Grundsätzlich möglich ist aber auch eine kumulative Betrachtung, so dass eine thermische Überlastung nur für den Fall vorliegt, dass sowohl die Motorkonstante K_M als auch der Motorwiderstand R_M über dem zugeordneten Schwellenwert liegt.
Sofern die Bedingungen im Verfahrensschritt V5 erfüllt sind, wird der ja-Verzweigung folgend zum nächsten Verfahrensschritt V6 fortgefahren, in welchem Maßnahmen zur thermischen Entlastung des Elektromotors ergriffen werden. Diese Maßnahmen beinhalten beispielsweise eine temporäre Außerkraftsetzung bzw. Deaktivierung des Elektromotors, darüber hinaus kommt auch ein Protokollieren sowie eine Anzeige im Fahrzeug über den aktuellen thermischen Zustand des Elektromotors in Betracht. Die Deaktivierung des Elektromotors erfolgt vorzugsweise über eine begrenzte Zeitspanne t_W, nach deren Ablauf der Elektromotor wieder aktiviert wird.
Ergibt die Abfrage in Verfahrensschritt V5, dass die Motorkonstante K_M bzw. der Motorwiderstand R_M die zugeordneten Schwellenwerte nicht überschreitet, so liegt keine thermische Überlastung des Motors vor und es wird der nein-Verzweigung folgend wieder zum Beginn des Verfahrens zum Verfahrensschritt V1 zurückgekehrt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006052810 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors, bei dem zumindest die Spannung (U) und der Strom (I) gemessen werden, wobei eine Motorkonstante (K_M) des Elektromotors, die das Verhältnis von Motordrehmoment zum aufgenommenen Strom (I) beschreibt, als Funktion dieser Messgrößen (U, I) ermittelt wird, wobei der Elektromotor in einem thermisch zulässigen Bereich arbeitet, wenn die Motorkonstante (K_M) einen zugeordneten Schwellenwert (K_M _, _Lim) nicht überschreitet.
Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messgrößen Spannung (U) und Strom (I) ein elektrischer Motorwiderstand (R_M) ermittelt wird, wobei der Elektromotor in einem thermisch zulässigen Bereich arbeitet, wenn der Motorwiderstand (R_M) einen zugeordneten Schwellenwert (R_M _, _Lim) nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorkonstante (K_M) des Elektromotors und/oder der elektrische Motorwiderstand (R_M) als Funktion der Messgrößen Spannung (U) und Strom (I) sowie der gemessenen Motordrehzahl (ω) aus der Beziehung U = RM·I + KM·ωermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein mathematisches Ausgleichsverfahren als zusätzliches Kriterium berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als mathematisches Ausgleichsverfahren die Methode der kleinsten Fehlerquadrate verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Motorkonstante (K_M) des Elektromotors als auch der elektrische Motorwiderstand (R_M) ermittelt und auf Überschreitung der zugeordneten Schwellenwerte (K_M,Lim, R_M,Lim) überprüft werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Motorkonstanten (K_M) und/oder des Motorwiderstands (R_M) als Funktion der Messgrößen Spannung (U), Strom (I) und Motordrehzahl (ω) im lastfreien Zustand des Elektromotors durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Elektromotor unter Last steht, die Motorkonstante (KM) und/oder der Motorwiderstand (R_M) unter Berücksichtung einer Temperaturerhöhung (ΔT) ermittelt wird, die als Funktion der vom Elektromotor abgegeben Leistung (P) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorkonstante (K_M) unter Berücksichtigung einer Referenz-Motorkonstanten (K_M20) und eines Temperaturbeiwerts (κ) gemäß der Beziehung KM = KM20(1 + κΔT)ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Motorwiderstand (R_M) unter Berücksichtigung eines Referenz-Motorwiderstands (R_M20) und eines Temperaturbeiwerts (α) gemäß der Beziehung RM = RM20 (1 + αΔT)ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Motorkonstante (K_M) und/oder der Motorwiderstand (R_M) die zugeordneten Schwellenwerte (K_M,Lim, R_M,Lim) überschreiten, der Elektromotor stillgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stilllegung für eine begrenzte Zeitspanne (t_W) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne (t_W) als fester Wert vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine während der Zeitspanne (t_W) erfolgte Betätigungsanforderung an den Elektromotor nach Ablauf der Zeitspanne (t_W) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Elektromotors erst nach einer Betätigung des Elektromotors deaktiviert wird.
Regel- bzw. Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Bremssystem in einem Fahrzeug mit einem Regel- bzw. Steuergerät nach Anspruch 16 und mit einem Elektromotor als Stellglied.
Bremssystem nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Ausführung als Parkbremse.