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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur
eines Motors.
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Ein
derartiges Verfahren kommt auf dem Gebiet der elektrischen Antriebe
zum Einsatz. In elektrischen Antrieben ist es nahezu unvermeidlich,
dass im Motor Wärmeverluste
auftreten. Für
den Motor gibt es eine obere Grenztemperatur, und wenn diese überschritten
wird, kann der Motor ausfallen (z. B. aufgrund eines Isolationsversagens
der Wicklung).
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Bei
der Auslegung des Motors ist man gezwungen, einen Kompromiss zwischen
Baugröße und Lastmoment
einzugehen. Insbesondere dann, wenn der Motor praktisch dauerhaft
unterhalb seines Nennmomentes betrieben wird und nur kurzzeitige Lastspitzen
oberhalb auftreten, ist es wirtschaftlich sinnvoll, den Motor nicht
auf die Lastspitzen, sondern auf den zu erwartenden Mittelwert zuzüglich Sicherheitsreserve
auszulegen. Um eine unnötige Überdimensionierung
zu vermeiden, ist es notwendig, die Motortemperatur zu ermitteln.
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Bekannte
Verfahren zur Ermittlung der Motortemperatur sind:
- 1. Nutzung eines eigenen Temperatursensors. Nachteilig hieran
sind der zusätzliche
Aufwand und die zusätzlichen
Kosten für
den Temperatursensor, die Verkabelung und die Signalaufbereitung.
- 2. Nutzung eines wärmetechnischen
Modells (typischerweise Tiefpass). Durch Messung des Motorstroms
und Nutzung eines Temperaturmodells (üblicherweise gebildet aus einem
Tiefpass, in den der Wärmewiderstand
und die Wärmekapazität eingehen)
kann die Übertemperatur
nachgebildet werden. Nachteilig ist, dass schwankende Einbauverhältnisse
den Wärmewiderstand
und somit die Genauigkeit des Modells beeinflussen. Das Modell bildet
die Temperaturerhöhung
nach, und falls keine Messung der tatsächlichen Umgebungstemperatur
möglich
ist, muss die zulässige Erwärmung auf
die max. Umgebungstemperatur ausgelegt werden. Dies bedeutet, dass
der Motor bei Temperaturen unterhalb des Maximalwertes nicht mehr
voll ausgenutzt wird.
- 3. Messung des Spulenwiderstands und Bestimmung der Temperatur über Widerstandserhöhung. Diese
Methode erfordert eine unbeeinflusste Spule (stehender Motor bzw.
Spule nicht von Wechselfeldern durchsetzt) sowie dazugehörige Messeinrichtungen.
Nachteilig hieran ist, dass die Methode nur bei bestimmten Motorbetriebszuständen möglich ist,
da induzierte Spannungen oder Ströme das Ergebnis verfälschen.
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Aus
der
DE 10 2008
000 784 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur
in einem Elektromotor bekannt, bei dem der Motor mit einem Schwingungssignal
beaufschlagt wird, ein resultierendes Signal ermittelt wird, das
von der Größe des komplexen
Widerstands der momentan angesteuerten Wicklung in dem Motor und
von dem Schwingungssignal abhängt,
und die Temperatur in dem Motor abhängig von einem elektrischen
Parameter des resultierenden Signals zugeordnet wird.
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In
der
DE 103 07 708
A1 wird mittels eines Temperatursensors an einem Elektromotor
eine Temperatur gemessen, unter Verwendung von zur Ermittlung der
Wicklungstemperatur abgespeicherten Motorparametern ausgewertet
und mit Hilfe eines dynamischen thermischen Motormodells und weiteren
Betriebsgrößen an interessierenden
Stellen auftretende Temperaturen berechnet.
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Bei
der
DE 199 39 997
A1 erzeugt eine Signalverarbeitung in Abhängigkeit
von einem Ausgangssignal eines in der Nähe des Elektromotors angeordneten
Temperatursensors ein korrigiertes Temperatursignal, das zur Überwachung
des Elektromotors auf thermische Überlastung herangezogen wird. Die
Signalverarbeitung erzeugt das korrigierte Temperatursignal außerdem in
Abhängigkeit
von einem in der Vergangenheit liegenden Ausgangssignal des Temperatursensors.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung
einer Motortemperatur anzugeben, die die genannten Nachteile der
bekannten Lösungen
vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur eines Motors
mittels eines Beobachters,
- • wobei von einer Steuerung
Steuersignale an den Motor gegeben werden,
- • wobei
mittels zumindest eines Sensors zumindest ein Messwert vom Motor
aufgenommen wird,
- • wobei
der Beobachter anhand von zumindest einem Steuersignal und zumindest
einem Messwert einer Messgröße Modellwerte
für Modellgrößen eines
Modells des Motors berechnet,
- • wobei
der zumindest einen Messgröße jeweils eine
Modellgröße entspricht,
- • wobei
der entsprechende Messwert und der jeweils entsprechende Modellwert
auf eine Abweichung überprüft werden,
- • wobei
bei zumindest einer Abweichung zumindest ein Modellwert derart verändert wird,
dass die zumindest eine Abweichung minimiert wird,
- • wobei
als zumindest eine Modellgröße, der
keine Messgröße entspricht,
eine Motorkonstante oder ein Wicklungswiderstand des Motors berechnet wird
und
- • wobei
die Temperatur aus der Motorkonstanten und/oder dem Wicklungswiderstand
bestimmt wird.
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Die
Motortemperatur wird durch Einsatz eines Beobachters ermittelt.
Der Beobachter arbeitet mit einer modellhaften Darstellung des Motors
und vergleicht die Ergebnisse des Modells mit den tatsächlichen
Systemreaktionen. Als Eingangsgrößen des
Beobachters dienen die vorhandenen Mess- und Steuersignale, wie
z. B. Soll- und Ist-Geschwindigkeit, Soll- und Ist-Beschleunigung, Spannung
im Zwischenkreis, Spannung am Motor (über PWM-Verhältnis, PWM:
Pulsweitenmodulation) oder Stromaufnahme des Motors. Der Beobachter
rechnet dann mit einem Modell, welches das Systemverhalten nachbildet,
eine theoretische Systemreaktion aus und vergleicht diese mit dem
tatsächlichen
Systemverhalten. Anschließend
werden die Modellgrößen so angepasst,
dass sich auf Dauer minimale Abweichungen zum tatsächlichen
Verhalten ergeben. Als Modellgrößen dienen
dabei eine Motorkonstante (z. B. C_phi oder k-Wert) oder ein Wicklungswiderstand,
da sich die Motortemperatur durch eine Änderung dieser Größen bemerkbar
macht und bei Kenntnis der zugrunde liegenden Kennlinien leicht
bestimmt werden kann.
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Dadurch
werden praktisch alle Vorteile der vorhandenen Verfahren kombiniert,
ohne dass deren Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Es sind
keine extra Sensoren und keine extra Messschaltungen erforderlich,
das Verfahren adaptiert sich auf den konkreten Einbauort und schwankende Einsatzbedingungen
und ermöglicht
die Ermittlung der absoluten Temperatur ohne Messung der Umgebungstemperatur.
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In
einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung wird bei Überschreiten
eines ersten Grenzwertes für
die Temperatur ein Warnsignal ausgegeben. Durch die Auslösung dieses
Alarmsignals können rechtzeitig
geeignete Gegenmaßnahmen
eingeleitet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird als zumindest
eine Modellgröße, der
keine Messgröße entspricht,
ein Lastmoment des Motors berechnet. Selbstverständlich kann das Modell ohne Mehraufwand
noch weitere Systemgrößen ermitteln, doch
ist die Kenntnis des Lastmoments für den Motor von besonderer
Bedeutung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden dabei aus
dem Lastmoment externe Kräfte,
die auf den Motor wirken, abgeleitet. Diese können z. B. von einer Feder,
Reibung, einer Türmasse,
einem Gegengewicht oder von Blockierungen herrühren.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird mittels des
Motors eine Tür
angetrieben und generiert die Steuerung Fahrkurven für die Tür. Insbesondere
bei Türantrieben
können
beispielsweise durch Blockierungen kurzzeitige Lastspitzen auftreten,
die möglicherweise
zu einer Überhitzung
des Motors führen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden dabei bei Überschreiten
eines zweiten Grenzwertes für
die Temperatur die Fahrkurven angepasst. Durch diese Anpassung kann
die Steuerung zunächst
versuchen, die drohende Überhitzung
des Motors durch die geeignet geänderten
Fahrkurven zu vermeiden. Selbstverständlich kann dabei der zweite Grenzwert
auch gleich dem ersten Grenzwert gewählt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Messwerte
mittels einer Sensorsignalaufbereitung aufbereitet. Hierdurch können die den
Sensorsignalen entsprechenden Messwerte beispielsweise in „modellgerechte” Messwerte
umgewandelt werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher beschrieben
und erläutert.
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Die
Figur zeigt:
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ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems.
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Die
Figur zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems 1 aus
einem Motor 2, einer Steuerung 3 zur Ansteuerung
des Motors 2, einem Sensor 4 sowie einem Beobachter 5.
Der Sensor 4 ist dabei z. B. als Drehzahlsensor ausgebildet und
gibt den Messwert der Messgröße 8 Drehzahl
an eine Sensorsignalaufbereitung 6 weiter. Als weitere Messgröße 8 kann
zwischen Motor 2 und Steuerung 3 beispielsweise
der Motorstrom gemessen werden. Von der Sensorsignalaufbereitung 6 werden
die Messgrößen 8 (mit
ihren jeweiligen Werten) an die Steuerung 3 weitergegeben.
Die Steuerung 3, die von außen z. B. einen Fahrbefehl 7 für eine Tür als Steuersignal 7 erhält, gibt
das Steuersignal 7 und die Messgrößen 8 an den Beobachter 5 weiter.
Als Eingangsgrößen 7, 8 des
Beobachters 5 dienen also ohnehin im System vorhandene
Mess-8 und Steuersignale 7, wie z. B. Soll- und
Ist-Geschwindigkeit, Soll- und Ist-Beschleunigung, Spannung im Zwischenkreis,
Spannung am Motor 2 (über
PWM-Verhältnis) oder
Stromaufnahme des Motors 2. Der Beobachter 5 rechnet
dann mit einem Modell 10, welches das Systemverhalten nachbildet,
eine theoretische Systemreaktion aus und vergleicht diese mit dem
tatsächlichen
Systemverhalten. Anschließend
werden die Modellgrößen 9 so
angepasst, dass sich auf Dauer minimale Abweichungen zum tatsächlichen
Verhalten ergeben. Als Modellgrößen 9 können z.
B. das Lastmoment 12, die Motorkonstante (C_phi oder k-Wert)
und der Wicklungswiderstand dienen. Die Motortemperatur 11 macht
sich durch eine Änderung der
Motorkonstanten und/oder des Wicklungswiderstandes bemerkbar und
kann bei Kenntnis der zugrunde liegenden Kennlinien leicht bestimmt
werden.
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Vorteilhafterweise
kann das Modell 10 ohne Mehraufwand noch weitere Systemgrößen ermitteln, wie
z. B. das Lastmoment 12. Aus diesem wiederum können auch
externe Kräfte
auf den Motor 2 abgeleitet werden, wie sie im Falle einer
Türsteuerung
bei spielsweise von einer Feder, Reibung, der Türmasse, einem Gegengewicht
oder von Blockierungen verursacht werden.
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Überschreitet
die Motortemperatur 11 einen ersten Grenzwert 13,
so kann von der Steuerung 3 ein Alarm/Warnsignal 15 ausgegeben
werden. Bei Überschreiten
eines zweiten Grenzwertes 14 können im Falle eines Türantriebs
auch die Fahrkurven angepasst werden. Beide Grenzwerte 13, 14 können dabei
auch identisch sein, oder der zweite Grenzwert 14 kann
kleiner als der erste 13 gewählt werden.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren bzw.
System 1 werden praktisch alle Vorteile der bekannten Lösungen kombiniert,
ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere sind neben
den ohnehin vorhandenen keine zusätzlichen Sensoren 4 erforderlich.
Zudem adaptiert sich das Verfahren auf den jeweiligen Einbauort
und ermöglicht
die Ermittlung der absoluten Temperatur ohne Messung der Umgebungstemperatur.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur
eines Motors. Um die Motortemperatur zu ermitteln, wird vorgeschlagen,
ohnehin vorhandene Mess- und Steuersignale als Eingangsgrößen für einen
Beobachter zu verwenden, der aus diesen eine Motorkonstante oder den
Wicklungswiderstand berechnet, woraus sich dann die Motortemperatur
absolut bestimmen lässt.