DE102014203509B4

DE102014203509B4 - Steuergerät und elektrisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102014203509B4
Application number: DE102014203509.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Burgermeister
Original assignee: Schmidhauser AG
Current assignee: Lenze Swiss AG
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: DE102014203509A1

Abstract

Ein Steuergerät (1) dient zum Ansteuern eines Elektromotors (2), der mindestens einen Temperatursensor (3) aufweist, der eine Motortemperatur erfasst, Das Steuergerät (1) weist eine Motortemperaturmesseinrichtung auf. Die Motortemperaturmesseinrichtung weist auf: einen Oszillator (4) zum Erzeugen eines Oszillatorsignals (OS), einen Transformator mit einer Primärwicklung (5) und einer von der Primärwicklung (5) galvanisch getrennten Sekundärwicklung (6), wobei die Primärwicklung (5) mit dem Oszillatorsignal (OS) beaufschlagt ist, eine Sensoransteuersignalerzeugungseinrichtung (7), die dazu ausgebildet ist, aus einem an der Sekundärwicklung (6) anstehenden Signal (UA) ein Sensoransteuersignal (SA) zu erzeugen, einen Temperatursensoranschluss (8), an dem das Sensoransteuersignal (SA) ausgegeben wird und der zum Anschluss des Temperatursensors (3) vorgesehen ist, und eine Auswerteeinrichtung (9), die dazu ausgebildet ist, einen durch die Primärwicklung fließenden Strom (IP) und/oder eine an der Primärwicklung anstehende Spannung zum Messen der Motortemperatur auszuwerten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät zum Ansteuern eines Elektromotors und ein elektrisches Antriebssystem mit einem solchen Steuergerät.
Die DE 102 49 041 A1 zeigt eine Anordnung zur Temperaturüberwachung in einer Statoreinheit eines elektrischen Antriebs, die einen in die Wicklungen der Statoreinheit integrierten Temperatursensor umfasst, der ein temperaturabhängiges Sensorsignal liefert. Das Sensorsignal ist über eine elektrische Übertragungseinheit in die Signalverarbeitungseinheit einer mit dem Antrieb verbundenen Positionsmesseinrichtung einkoppelbar.
Die DE 31 13 557 A1 zeigt eine elektrische Messeinrichtung für die Läufertemperatur elektrischer Maschinen, bei der Temperaturdaten, die in Statorrichtung zu übertragen sind, mittels einer Pulsbreitenmodulation codiert werden.
Die DE 200 14 404 U1 zeigt eine Einrichtung zur Temperaturmessung eines elektrischen Geräts mit Hilfe eines Temperatursensors, der an einer Sekundärseite eines Transformators geschaltet ist, der primärseitig mit einem Pol an eine definierte Wechselspannungsquelle geschaltet ist und mit einem anderen Pol über einen Shunt-Widerstand mit einer Bezugsspannung elektrisch verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuergerät zum Ansteuern eines Elektromotors und ein elektrisches Antriebssystem mit einem solchen Steuergerät zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und zuverlässige Auswertung eines Temperatursensors des Elektromotors ermöglichen, der beispielsweise eine Wicklungstemperatur des Elektromotors erfasst.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Steuergerät nach Anspruch 1 und ein elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 4.
Das Steuergerät ist zum Ansteuern eines Elektromotors vorgesehen. Das Steuergerät kann beispielsweise ein Frequenzumrichter oder ein Wechselrichter sein, der dazu ausgebildet ist, den Elektromotor mit Ansteuerspannungen anzusteuern bzw. zu beaufschlagen.
Der anzusteuernde Elektromotor weist mindestens einen Temperatursensor auf, der eine Motortemperatur, beispielsweise in Form einer Motorwicklungstemperatur, erfasst.
Das Steuergerät weist eine Motortemperaturmesseinrichtung auf.
Die Motortemperaturmesseinrichtung weist einen Oszillator auf, der dazu ausgebildet ist, ein Oszillatorsignal beispielsweise in Form einer Rechteckspannung mit einer Frequenz im MHz-Bereich zu erzeugen.
Die Motortemperaturmesseinrichtung weist weiter einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer von der Primärwicklung galvanisch getrennten Sekundärwicklung auf, wobei die Primärwicklung mit dem Oszillatorsignal beaufschlagt ist bzw. das Oszillatorsignal an einen der Pole der Primärwicklung angelegt ist.
Die Motortemperaturmesseinrichtung weist weiter eine Sensoransteuersignalerzeugungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, aus einem an der Sekundärwicklung anstehenden Signal, beispielsweise einer an der Sekundärwicklung anstehenden Spannung, ein Sensoransteuersignal, beispielsweise eine Sensoransteuerspannung, zu erzeugen.
Die Motortemperaturmesseinrichtung weist weiter einen, beispielsweise 2-poligen, Temperatursensoranschluss auf, an dem das Sensoransteuersignal ausgegeben wird und der zum Anschluss des Temperatursensors dient.
Die Motortemperaturmesseinrichtung weist weiter eine Auswerteeinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, einen durch die Primärwicklung fließenden Strom und/oder eine an der Primärwicklung anstehende Spannung unmittelbar oder mittelbar zum Messen der Motortemperatur auszuwerten. Der durch die Primärwicklung fließende Strom bzw. die an der Primärwicklung anstehende Spannung ist aufgrund der transformatorischen Kopplung mit dem Temperatursensor spezifisch für eine Sensormessgröße, beispielsweise einen Sensorwiderstand, die bzw. der mittels des Temperatursensors erfasst wird. Mittels der Erfindung kann daher galvanisch getrennt und mit nur wenigen Bauelementen zuverlässig die Motortemperatur ermittelt werden.
Es versteht sich, dass die Motortemperaturmesseinrichtung zur Erfassung und Auswertung von Sensorsignalen mehrerer Temperatursensoren ausgebildet sein kann. Für diesen Fall können beispielsweise die Komponenten der Motortemperaturmesseinrichtung gemäß der Anzahl von Temperatursensoren vervielfacht werden.
Die Sensoransteuersignalerzeugungseinrichtung weist einen Gleichrichter auf bzw. ist ein Gleichrichter, wobei der Gleichrichter dazu ausgebildet ist, das Sensoransteuersignal bzw. die Sensoransteuerspannung durch Gleichrichten des an der Sekundärwicklung anstehenden Signals bzw. der an der Sekundärwicklung anstehenden Spannung zu erzeugen.
Das Steuergerät kann einen Shunt-Widerstand aufweisen, der mit dem durch die Primärwicklung fließenden Strom beaufschlagt ist, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine an dem Shunt-Widerstand anstehende Spannung gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung zum Messen der Motortemperatur auszuwerten.
Die Primärwicklung kann als eine erste Leiterschleife auf einer oder mehreren Lagen einer Leiterplatte gebildet sein und die Sekundärwicklung kann als eine zweite Leiterschleife auf einer oder mehreren Lagen der Leiterplatte gebildet sein, wobei die erste Leiterschleife und die zweite Leiterschleife auf unterschiedlichen Lagen der Leiterplatte übereinander gebildet sind, so dass eine gewünschte transformatorische Kopplung zwischen den Leiterschleifen bewirkt wird.
Das elektrische Antriebssystem weist ein oben genanntes Steuergerät und mindestens einen Elektromotor mit mindestens einem Temperatursensor auf, der eine Motortemperatur erfasst, wobei der mindestens eine Temperatursensor an den Temperatursensoranschluss angeschlossen ist.
Der Temperatursensor kann ein Thermistor sein, beispielsweise ein Widerstandselement mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Temperatur einer Motorwicklung des Elektromotors verändert.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
1 ein elektrisches Antriebssystem mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät und einem mittels des Steuergeräts angesteuerten Elektromotor und
2 eine als Leiterschleife auf einer Leiterplatte gebildete Wicklung eines Transformators des in 1 gezeigten Steuergeräts.
1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät 1, beispielsweise in Form eines Frequenzumrichters oder eines Wechselrichters, und einem mittels des Steuergeräts 1 angesteuerten Elektromotor 2.
Der Elektromotor 2 weist einen Temperatursensor in Form eines PTC 3 auf, der eine Motorwicklungstemperatur erfasst. Der Temperatursensor 3 ist an einen hierfür ausgebildeten Temperatursensoranschluss 8 des Steuergeräts 1 angeschlossen. Weitere, herkömmliche Signalverbindungen zwischen dem Steuergerät 1 und dem Elektromotor 2 sind nicht dargestellt, da sie zur Beschreibung der Erfindung nicht zwingend notwendig sind. Derartige Signalverbindungen können beispielsweise Signalverbindungen für Wicklungsstränge, usw. des Elektromotors 2 sein.
Das Steuergerät 1 weist eine Motortemperaturmesseinrichtung auf, die mittels des externen Temperatursensors 3 die Motorwicklungstemperatur ermittelt.
Die Motortemperaturmesseinrichtung weist einen Oszillator 4 zum Erzeugen eines Oszillatorsignals OS in Form einer Rechteckspannung mit einer Frequenz im MHz-Bereich auf.
Weiter umfasst die Motortemperaturmesseinrichtung einen Transformator mit einer Primärwicklung 5 und einer von der Primärwicklung 5 galvanisch getrennten Sekundärwicklung 6, wobei die Primärwicklung 5 an einem ihrer beiden Anschlusspole mit dem Oszillatorsignal OS beaufschlagt ist.
Die Motortemperaturmesseinrichtung weist weiter eine Sensoransteuersignalerzeugungseinrichtung 7 in Form eines Gleichrichters auf, die bzw. der dazu ausgebildet ist, aus einer an der Sekundärwicklung 6 anstehenden Spannung UA mittels Gleichrichten eine Sensoransteuerspannung SA zu erzeugen. Die Sensoransteuerspannung SA wird an dem Temperatursensoranschluss 8 ausgegeben.
Die Motortemperaturmesseinrichtung weist weiter eine Auswerteeinrichtung 9 auf, die dazu ausgebildet ist, einen durch die Primärwicklung 5 fließenden Strom IP zum Messen der Motorwicklungstemperatur auszuwerten. Hierzu wird der Strom IP mittels eines Shunt-Widerstands 10 zunächst in eine (Wechsel-)Spannung transformiert.
In der Auswerteeinrichtung 9 ist eine Diode 11 dazu vorgesehen, die am Shunt-Widerstand 11 abfallende Spannung gleichzurichten, wobei die gleichgerichtete Spannung mittels eines Kondensators 12 geglättet wird. Die derart geglättete Spannung kann anschließend beispielsweise mittels eines nicht gezeigten A/D-Wandlers digitalisiert und in einem nicht gezeigten Mikroprozessor zum Messen der Motorwicklungstemperatur ausgewertet werden.
2 zeigt eine Lage einer Leiterplatte 13, auf der exemplarisch die Primärwicklung 5 als eine erste Leiterschleife gebildet ist. Die Sekundärwicklung 6 ist entsprechend, jedoch nicht gezeigt als eine zweite Leiterschleife auf einer oder mehreren weiteren Lagen der Leiterplatte 13 gebildet, wobei die erste Leiterschleife und die zweite Leiterschleife auf den unterschiedlichen Lagen übereinander gebildet sind und derart den Transformator bilden. Die Primärwicklung 5 wird über Kontakte 5a und 5b elektrisch kontaktiert, wobei der Kontakt 5b eine Durchkontaktierung auf der Leiterplatte 13 darstellt.
Es erfolgen sowohl die Energieübertragung zum Temperatursensor bzw. PTC 3 als auch die Messung des PTC-Widerstandes mittels eines HF-Transformators. Der HF-Transformator kann aus Kostengründen kernfrei aus zwei Luftspulen 5 (Primärwicklung) und 6 (Sekundärwicklung) auf der Leiterplatte 13 gebildet sein, wobei die Primärwicklung 5 und die Sekundärwicklung 6 zwecks guter Kopplung übereinander auf mindestens zwei Lagen aufgebracht sind. Die Primärwicklung 5 wird mittels des Oszillators 4 mit hoher Frequenz gespeist (einige MHz). Dadurch wird ein erheblicher Teil der Energie auf die Sekundärwicklung 6 übertragen, womit der PTC 3 gespeist wird. Ändert dieser durch schwankende Temperatur seinen Widerstand, nimmt die Primärwicklung 5 mehr oder weniger Strom auf. Dieser Strom wird dann mittels des Shunt-Widerstands 10 in eine analoge Spannung umgesetzt und beispielsweise mittels eines A/D-Wandlers und nachgeschaltetem Mikroprozessor und/oder mittels eines Komparators ausgewertet.
Anstelle des Transformators bzw. Übertragers, der die auf der Leiterplatte 13 gebildeten Luftspulen aufweist, könnte der Transformator als diskretes Bauelement oder eine Leiterplattenspulenanordnung mit aufgeklebtem Kern verwirklicht sein.
Die in 1 dargestellten Bauelemente 1 und 4 bis 12 können auf der Leiterplatte 13 angeordnet sein.
Bei herkömmlichen Lösungen wird beispielsweise zur Versorgung des Thermistors 3 eine galvanisch getrennte Speisung verwendet, wobei eine Temperaturüberwachung auf der Sekundärseite beispielsweise mittels eines Komparators und einer Referenzspannungsquelle implementiert wird. Das Ergebnis der Temperaturüberwachung wird mittels eines Optokopplers auf die Primärseite übertragen. Verglichen mit einer derartigen Lösung lassen sich mit der Erfindung Bauteile über der Isolationsstrecke einsparen, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht wird und gleichzeitig Kosten gesenkt werden können.

Claims

Steuergerät (1) zum Ansteuern eines Elektromotors (2), wobei der Elektromotor (2) mindestens einen Temperatursensor (3) aufweist, der eine Motortemperatur erfasst, wobei das Steuergerät (1) aufweist: – eine Motortemperaturmesseinrichtung, aufweisend: – einen Oszillator (4) zum Erzeugen eines Oszillatorsignals (OS), – einen Transformator mit einer Primärwicklung (5) und einer von der Primärwicklung (5) galvanisch getrennten Sekundärwicklung (6), wobei die Primärwicklung (5) mit dem Oszillatorsignal (OS) beaufschlagt ist, – eine Sensoransteuersignalerzeugungseinrichtung (7), die dazu ausgebildet ist, aus einem an der Sekundärwicklung (6) anstehenden Signal (UA) ein Sensoransteuersignal (SA) zu erzeugen, – einen Temperatursensoranschluss (8), an dem das Sensoransteuersignal (SA) ausgegeben wird und der zum Anschluss des Temperatursensors (3) vorgesehen ist, und – eine Auswerteeinrichtung (9), die dazu ausgebildet ist, einen durch die Primärwicklung (5) fließenden Strom (IP) und/oder eine an der Primärwicklung (5) anstehende Spannung zum Messen der Motortemperatur auszuwerten, wobei der durch die Primärwicklung fließenden Strom (IP) und/oder die an der Primärwicklung (5) anstehende Spannung sich aufgrund der transformatorischen Kopplung mit dem Temperatursensor einstellt/einstellen, – wobei die Sensoransteuersignalerzeugungseinrichtung (7) einen Gleichrichter aufweist, wobei der Gleichrichter dazu ausgebildet ist, das Sensoransteuersignal (SA) durch Gleichrichten des an der Sekundärwicklung (6) anstehenden Signals (UA) zu erzeugen.
Steuergerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch – einen Shunt-Widerstand (10), der mit dem durch die Primärwicklung (5) fließenden Strom (IP) beaufschlagt ist, wobei die Auswerteeinrichtung (9) dazu ausgebildet ist, eine an dem Shunt-Widerstand (10) anstehende Spannung gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung zum Messen der Motortemperatur auszuwerten.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Primärwicklung (5) als eine erste Leiterschleife auf einer Leiterplatte (13) gebildet ist und die Sekundärwicklung (6) als eine zweite Leiterschleife auf der Leiterplatte (13) gebildet ist, wobei die erste Leiterschleife und die zweite Leiterschleife auf unterschiedlichen Lagen der Leiterplatte übereinander gebildet sind.
Elektrisches Antriebssystem, aufweisend: – ein Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und – einen Elektromotor (2) mit mindestens einem Temperatursensor (3), der eine Motortemperatur erfasst, – wobei der mindestens eine Temperatursensor (3) an den Temperatursensoranschluss (8) angeschlossen ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der Temperatursensor (3) ein Thermistor ist, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Temperatur einer Motorwicklung des Elektromotors (2) verändert.