DE102009034448A1 - Verfahren zur Bestimmung des von einem Gleichstromelektromotor absorbierten Stromes - Google Patents

Abstract

Das Verfahren kann zur Bestimmung des Durchschnittsstroms (IN) verwendet werden, der durch einen Gleichstromelektromotor (BLM) absorbiert wird, der zum Betrieb über einen eine Induktivität (LS) aufweisenden Filter an eine Spannungsquelle (VB) angeschlossen wird. Die Spannung (VL) an den Anschlüssen dieser Induktivität (LS) wird ermittelt, und der durch den Motor (BLM) absorbierte Durchschnittsstrom (IM) wird nach einer vorbestimmten Funktion des Mittelwertes dieser ermittelten Spannung (VL) berechnet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des durch einen Gleichstromelektromotor absorbierten Stromes.
• Mehr insbesondere schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des absorbierten Durchschnittsstromes vor, der von einem Gleichstromelektromotor absorbiert wird und zum Betrieb über einen eine Induktivität umfassenden Filter mit einer Spannungsquelle verbunden ist.
• Das Verfahren gemäß der Erfindung ist insbesondere auf die Bestimmung des Durchschnittsstromes anwendbar, der durch einen Elektromotor des Kollektortyos oder elektronisch geschalteten (bürstenlosen) Typs absorbiert wird, der an ein Gebläse in einem Kühlsystem gekoppelt ist, das mit einer Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Ein solches Kühlsystem weist eine elektronische Steuereinheit auf, die zur Regulierung der Drehgeschwindigkeit des Gebläses gemäß eines Steuersignals ausgebildet ist, das von der elektronischen Steuereinheit der Verbrennungskraftmaschine geliefert wird.
• Die elektronische Steuereinheit eines Kühlsystems hat allgemein zur Prüfung der Funktion des Systems zusätzliche Diagnosefunktionen, und sie überwacht insbesondere den von dem Elektromotor absorbierten Strom, um ir gendeine Überlastungsbedingung zu erkennen oder um irgendwelche nötigen Leistungsbeschränkungen einzustellen. Der durch den Elektromotor absorbierte Strom wird normalerweise durch Bestimmung des Spannungsabfalls in einem in Serie mit dem Motor geschalteten Präzisions-Shunt-Widerstand gemessen.
• Diese Lösung ist kostspieleig, da sie die Verwendung eines Präzisions-Shunt-Widerstands erfordert, vergrößert die Gesamtabmessungen und benötigt eine zusätzliche Leistungsableitung in diesen Widerstand.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur Bestimmung des Durchschnittsstroms vorzuschlagen, der durch einen Elektromotor absorbierte wird, der zum Betrieb über einen eine Induktivität aufweisenden Filter mit einer Spannungsquelle wie der Batterie eines Motorfahrzeuges verbunden wird.
• Dieses und andere Ziele werden gemäß der Erfindung mit einem Verfahren erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spannung an den Anschlüssen der zuvor genannten Induktivität ermittelt wird und dass der von dem Elektromotor absorbierte Durchschnittsstrom gemäß einer vorbestimmten Funktion des Mittelwertes dieser ermittelten Spannung berechnet wird.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung klar sein, die lediglich anhand eines nicht einschränkenden Beispiels mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen bereitgestellt wird, in denen:
• 1 ein elektrisches Schaltungsdiagramm ist, das eine Schaltung zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors zeigt, der über eine Induktivität mit einer Spannungsquelle verbunden ist, wobei diese Schaltung eine Schaltungseinrichtung zum Ermitteln des durch den Motor absorbierten Durchschnittsstromes gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung aufweist;
• 2 ein detaillierteres elektrisches Schaltungsdiagramm der Schaltungseinrichtung zur Bestimmung des Stromes aus 1 ist; und
• 3 ein als Beispiel vorgesehenes Diagramm ist, das die Ergebnisse der Berechnung des durch den Motor absorbierten Durchschnittsstromes in qualitativer zeigt, die gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung durchgeführt worden ist.
• In 1 ist ein bürstenloser Dreiphasenmotor mit BLM bezeichnet und seine Anschlüsse A, B und C sind an entsprechende Anschlüsse einer Vollbrücken-Steuerungsschaltung verbunden, die insgesamt mit BR bezeichnet ist. Diese Brückenschaltung weist auf bekannte Art und Weise sechs elektronische Festkörperschalter auf, beispielsweise MOSFET-Transistoren, die mit Q1 bis Q6 bezeichnet sind.
• Diese elektronischen Schalter haben entsprechende Steueranschlüsse (Gateanschlüsse), die auf nicht gezeigte Art und Weise mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden sind.
• Die Brückenschaltung BR ist unter Zwischenschaltung eines Filters, der eine in Reihe geschaltete Induktivität L_S und einen parallel Kondensator C_P aufweist, an die positiven und negativen Anschlüsse einer kontinuierlichen Spannungsquelle V_B, wie der Batterie eines Motorfahrzeuges angeschlossen.
• Zwei weitere Kondensatoren C_A und C_B sind direkt parallel mit der Brückenschaltung BR geschaltet.
• Wie zuvor erwähnt, wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der durch den Elektromotor BLM absorbierte Durchschnittsstrom I_M durch Bestimmender Spannung V_L an den Anschlüssen der Induktivität L_S und darauffolgendes Berechnen des Durchschnittsstroms I_M gemäß einer vorbestimmten Funktion des Mittelwertes der Spannung V_L bestimmt, wie dies noch genauer im Folgenden beschrieben wird.
• Die Spannung V_L an den Anschlüssen der Induktivität L_S kann als Summe von zwei Beiträgen ausgedrückt werden: der erste Beitrag ist die Widerstandskomponente (der Widerstand R_Serie) und der zweite Beitrag ist die induktive Komponente (in Reihe geschaltete Induktivität L):

  
• Wobei i_L der in der Induktivität fließende Strom und t die Zeit ist.
• Der Mittelwert der Spannung V_L im Beharrungszustand ist gegeben durch:

  
• Die Spannung V_L an den Anschlüssen der Reiheninduktivität L_S wird durch die Verwendung eines kommerziell erwerblichen Strommessverstärkers bestimmt, wie beispielsweise der Verstärker, der in den 1 und 2 mit AMPL bezeichnet ist, wobei ein Filter F1 zum Entfernen der induktiven Komponente dazwischengeschaltet ist.
• Gemäß 2, auf die nun Bezug genommen wird, ist der Filter F1 beispielsweise ein Filter des RC-Typs, der zwei Widerstände R1 und R2, deren jeweilige erste Anschlüsse mit den gegenüberliegenden Enden der Induktivität L_S angeschlossen sind, und einen Kondensator C1 aufweist, der die anderen Anschlüsse dieser Widerstände miteinander verbindet.
• Die Ausgabe des Verstärkers AMPL wird an einen Mikroprozessor gesendet, und zwar über einen Ausgabefilter F2 und einen Analog-Digital-Konverter A/D, die in den Mikroprozessor MP integriert sein können.
• Wie unten ausführlicher beschrieben, ist der Mikroprozessor MP in geeigneter Weise zur Bereitstellung einer zusätzlichen Kompensierung von Temperaturschwankungen, um Variationen des Widerstandes R_Serie des Kupferdrahtes der Induktivität L_S zu erlauben, ausgestaltet, um die Präzision der Messung zu verbessern.
• Zur Bereitstellung dieser Temperaturkompensation ist der Mikroprozessor MP mit einem Temperatursensor verbunden, wie beispielsweise dem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient, der in 1 und 2 mit NTC bezeichnet ist. Dieser auf derselben Platine wie alle anderen Bauteile der Schaltung aus 1 befestigte Sensor bestimmt die Umgebungstemperatur, aber nicht die der Induktivität I_S. Um den Effekt des Selbstaufheizens der Induktivität L_S zu erlauben, wird der thermische Widerstand der Induktivität gemessen, und ihre absolute Temperatur wird als Funktion der abgeleiteten Energie berechnet.
• Der Widerstand der Induktivität L_S als eine Funktion der Umgebungstemperatur T_AM kann wie folgt ausgedrückt werden: RSerie = Ramb[1 + α(TNTC – Tamb + RthPdiss)] = Ramb[1 + α(TNTC – Tamb + RthRSerieI2M )] (4)wobei

R_amb

der Widerstand der Induktivität gemessen bei der Umgebungstemperatur T_amb ist;

α

der thermische Koeffizient von Kupfer ist;

T_NTC

die über den Widerstand NTC gemessene Umgebungstemperatur der Schaltplatine ist;

R_th

der thermische Widerstand der Induktivität L_S ist;

P_diss

die durch die Induktivität L_S abgeleitete Energie ist; und

I_M

der durch den Elektromotor BLM absorbierte Durchschnittsstrom ist.

• Die Gleichung (4) kann folgendermaßen umgeschrieben werden:

  
• Die Gleichungen (4) und (5) zeigen, dass der Reihenwiderstand der Induktivität L_S als eine Funktion der Temperatur und des Durchschnittsstromes in dem Motor ausgedrückt werden kann: RSerie = f(TNTC, IM) (6)
• Die Spannung an der Ausgabe der Verstärkerstufe AMPL, anders ausgedrückt die Spannung an dem Eingang des Konverters A/D, kann daher folgendermaßen ausgedrückt werden: Vout = RSerieIMG (7)
• Wobei G die Verstärkung der Verstärkungsstufe AMPL ist.
• Der Ausgabefilter F2, der beispielsweise in 2 gezeigt ist, weist einen Reihenwiderstand R3 und einen parallelen Kondensator C2 auf und hat die Funktion, die Spannung an dem Ausgang des Verstärkers AMPL zu filtern, um den Mittelwert des Stroms in dem Motor zu erzeugen.
• Der Widerstand NTC ist mit zwei Widerständen, dem geerdeten R4 und dem mit einer stabilisierten, kontinuierlichen Spannungsquelle VDD verbundenen R5 verbunden, um seine Kennlinie im Wesentlichen linear zu machen.
• Unter Verwendung des Wertes der Spannung V_out und der durch den Widerstand NTC bereit gestellten Temperaturmessung bestimmt der Mikroprozessor MP den in dem Motor BLM fließenden Durchschnittsstrom I_M mittels der nachfolgenden Gleichung, die die Umkehrfunktion der obigen Gleichung (7) ist:

  
• Aufgrund der Abhängigkeit von R_Serie von dem Strom I_M wird die Gleichung (8) zu einer rekursiven Gleichung, wie folgt:

  
• Der Mikroprozessor MP führt eine Folge von Iterationen zum Berechnen des richtigen Wertes des in dem Motor BLM fließenden Durchschnittsstromes I_M gemäß der Gleichung (9) durch (3).
• In der oben gezeigten Gleichung (9) macht die Existenz des Termes 1 + α (T_NTC – T_amb) die Berechnung durch den Mikroprozessor MP ziemlich kompliziert.
• Die Komplexität der Berechnung kann deutlich verringert werden, wenn der zuvor erwähnte Nennerterm gemäß einer Gleichung des folgenden Typs linearisiert wird:

  

  wobei a und b zwei Konstanten sind.
• Es ist relativ einfach, die Koeffizienten a und b so zu bestimmen, dass die Gleichung (10) in einem bestimmten Temperaturbereich oder Feld T_NTC gültig ist, beispielsweise von –25°C bis +150°C.
• Wenn der Mikroprozessor MP einen überschreibbaren Datenspeicher (des EEPROM- oder Flashtyps) hat, ist es möglich, die Qualität der Ermittlung des Durchschnittsstromes in dem Motor dadurch zu verbessern, dass die Werte einiger Parameter des Modells gemäß während einem Testens des Motors BLM und der verbundenen elektronischen Schaltungen aus 1 durchgeführter Messungen verändert werden.
• Selbstverständlich können, vorausgesetzt dass das Prinzip der Erfindung beibehalten wird, die Anwendungsformen und die Konstruktionsdetails weitreichend von dem lediglich anhand eines nicht beschränkenden Beispiels Beschriebenenen und Gezeigten verändert werden, ohne dabei von dem Geltungsbereich und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die angefügten Ansprüche bestimmt ist.

Claims (5)

1. Verfahren zum Ermitteln des Durchschnittsstroms (I_M), der durch einen Gleichstromelektromotor (BLM) absorbiert wird, der zum Betrieb über einen eine Induktivität (L_S) aufweisenden Filter an eine Spannungsquelle (V_B) angeschlossen wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (V_L) an den Anschlüssen der Induktivität (L_S) ermittelt wird und dann der durch den Motor (BLM) absorbierte Durchschnittsstrom (I_M) gemäß einer vorbestimmten Funktion des Durchschnittswertes der ermittelten Spannung (V_L) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Umgebungstemperatur (T_NTC) bestimmt wird und der durch den Motor (BLM) absorbierte Durchschnittsstrom (I_M) gemäß einer vorbestimmten Funktion der bestimmten Umgebungstemperatur (T_NTC) und des Widerstandes (R_Serie) der bei der Umgebungstemperatur bestimmten Induktivität (L_S) berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Spannung (V_L) an den Anschlüssen der Induktivität (L_S) durch einen Verstärker (AMPL) bestimmt wird, der einen Filter (F1) zum Dämpfen der induktiven Komponente davon verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Ausgabespannung des Verstärkers (AMPL) zu einem Mikroprozessor (MP) gesendet wird, nachdem sie von der analogen zu der digitalen Form konvertiert worden ist; wobei der Mikroprozessor (MP) zur Berechnung des durch den Motor (BLM) absorbierten Durchschnittsstroms (I_M) nach einer vorbestimmten Funktion der an der Ausgabe des Verstärkers (AMPL) angegebenen Spannung ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Umgebungstemperatur durch einen negativen Temperaturkoeffizienz-Widerstand (NTC) oder einen anderen Temperatursensor ermittelt wird.