DE102014216312A1 - Method for sensorless temperature measurement of a DC motor - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen ist ein Verfahren zur Temperaturbestimmung der elektrischen Spule eines Gleichstrommotors, wobei die Temperatur sensorlos mit folgenden Verfahrensschritten bestimmt wird: – Bestimmung der Zeitkonstante τ = L/RL der Spule, wobei L die Induktivität und RL der Ohmsche Widerstand der Spule sind, – Bestimmung der Spulentemperatur mit Hilfe der Zeitkonstante τ und der Temperaturkennkurve des Ohmschen Widerstands RL der Spule.Proposed is a method for determining the temperature of the electric coil of a DC motor, wherein the temperature is determined sensorless with the following method steps: - Determining the time constant τ = L / RL of the coil, where L is the inductance and RL is the ohmic resistance of the coil, - Determination of Coil temperature using the time constant τ and the temperature characteristic of the ohmic resistance RL of the coil.
Description
Bei den meisten Anwendungen im Maschinenbau müssen bestimmte Systembereiche gezielt mit unterschiedlichen flüssigen oder gasförmigen Kühlmitteln gekühlt werden. In Fahrzeugen kann ein geschicktes Kühlverfahren eine enorme Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der CO2-Emission ermöglichen. Hierzu müssen intelligente Kühlwasserzirkulationen zwischen mehreren Teilen, wie z. B. Zylinderkurbelgehäuse, Motorkühler und Abgasturbolader, stattfinden. Bis vor wenigen Jahren wurde das Kühlwasser ohne beträchtliche kontrollierte Dosierung durch die verschiedenen Teile gepumpt, wobei manche Teile zu wenig und andere zu viel gekühlt wurden. Zudem ist es vorteilhaft, manche Bereiche, wie das Motoröl beim Motorstart schnell auf Temperaturen gegen 125°C zu heizen, d. h. die Wärme von den anderen Bereichen dem Motoröl zu liefern.For most applications in mechanical engineering, certain system areas must be specifically cooled with different liquid or gaseous coolants. In vehicles, a clever cooling process can enable a huge reduction in fuel consumption and CO 2 emissions. For this purpose, intelligent cooling water circulation between several parts, such. B. Cylinder crankcase, engine radiator and exhaust gas turbocharger, take place. Until a few years ago, the cooling water was pumped through the various parts without significant controlled metering, with some parts being under-cooled and others too much. In addition, it is advantageous to heat some areas, such as the engine oil at engine start quickly to temperatures against 125 ° C, ie to supply the heat from the other areas of the engine oil.
Seit weniger als einem Jahrzehnt werden Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren mithilfe von intelligenten Thermomanagementsystemen ausgerüstet. Dabei erlaubt ein sensorgesteuerter Drehschieber ein schnelles Erreichen der für Motor und Getriebe idealen Temperaturfenster. Ein kugelförmiges Ventil, welches mehrere Durchgänge aufweist, wird von einem Gleichstrommotor (DC-Motor) gedreht und in prädestinierte Stellungen gebracht. Fast alle Kühlwasserzirkulationen fließen durch das kugelförmige Ventil. Jedem der zu kühlenden Fahrzeugteile wird einer der Durchgänge des kugelförmigen Ventils zugeordnet. Durch die intelligente Drehung und Positionierung eines der Durchgänge des kugelförmigen Ventils wird der dazugehörige Bereich vom Kühlmittel dosiert durchflossen und infolgedessen gezielt gekühlt.For less than a decade, internal combustion engines have been equipped with intelligent thermal management systems. A sensor-controlled rotary valve allows a quick achievement of the ideal temperature window for the engine and transmission. A spherical valve having multiple passages is rotated by a DC motor and placed in predetermined positions. Almost all cooling water flows through the spherical valve. Each of the vehicle parts to be cooled is assigned to one of the passages of the spherical valve. The intelligent rotation and positioning of one of the passages of the spherical valve, the associated area is flowed through by the coolant and consequently selectively cooled.
Der oben genannte DC-Motor wird in der Regel mittels PWM-Signale aus einem Steuergerät des Fahrzeugs betrieben, welches sich außerhalb des Drehschieber-Moduls befindet. Starke Belastung des Elektromotors und/oder seine hohe Umgebungstemperatur können zu seinem unerwarteten und unerwünschten Defekt und Ausfall führen. Eine permanente Temperaturüberwachung des Motorinneren macht einen einwandfreien Motorbetrieb unerlässlich. Durch die Montierung eines Temperatursensors am Motorgehäuse lässt sich die äußere Motortemperatur erfassen, die sich von der Innentemperatur des Motors unterscheidet. Eine Unterbringung des Temperatursensors im Motor könnte aber eine genauere Temperaturermittlung der empfindlichen inneren Teile ermöglichen. Beide Verfahren bedürfen des Einsatzes von nicht so preiswerten Temperatursensoren. Zudem ist ein Problem die Platzierung des Temperatursensors in dem kleinen zur Verführung stehenden Raum der elektronischen Kontrolleinheit des Drehschiebers. Es ist darauf hinzuweisen, dass eine Unterbringung des Temperaturfühlers im ohnehin kleinen Motor sehr aufwendig ist, was zum erhöhten Preis des Motors führt.The above-mentioned DC motor is usually operated by means of PWM signals from a control unit of the vehicle, which is located outside of the rotary valve module. Heavy load on the electric motor and / or its high ambient temperature can lead to its unexpected and unwanted defect and failure. Permanent temperature monitoring of the inside of the engine makes perfect engine operation indispensable. By mounting a temperature sensor on the motor housing, it is possible to detect the external motor temperature, which differs from the internal temperature of the motor. However, housing the temperature sensor in the engine could allow a more accurate temperature determination of the sensitive inner parts. Both methods require the use of not so inexpensive temperature sensors. In addition, a problem is the placement of the temperature sensor in the small seductive space of the electronic control unit of the rotary valve. It should be noted that a location of the temperature sensor in the already small engine is very expensive, which leads to the increased price of the engine.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den oben beschriebenen Mangel an einen günstigen Verfahren zur Temperaturmessung des DC-Motors zu beseitigen. Erfindungsgemäß wird die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Parameter der Spulen im Motor herangezogen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Motortemperatur durch die Bestimmung des Widerstands und gegebenenfalls der Induktivität der Spule bestimmt werden. Der Wicklungsdraht der Spulen ist in der Regel aus Kupfer, dessen spezifischer Widerstand mit der Temperatur ansteigt und eine ziemlich gute lineare Temperaturabhängigkeit aufweist.The present invention has for its object to eliminate the above-described lack of a favorable method for measuring the temperature of the DC motor. According to the invention, the temperature dependence of the electrical parameters of the coils in the motor is used. By means of the method according to the invention, the motor temperature can be determined by determining the resistance and optionally the inductance of the coil. The winding wire of the coils is typically copper whose resistivity increases with temperature and has a fairly good linear temperature dependence.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsformen und anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained below in embodiments and with reference to the following drawings. Showing:
Jeder Motorstrang kann vereinfacht durch das in
Da, wie oben besprochen, der Drehschieber mit periodischen PWM-Signalen angesteuert wird, weist die Spannung U eine rechteckige Form auf (s.
Wenn man zum Zeitpunkt t1 den Stromwert I1 = I(t1) und misst und dessen Wert in Gl. 2 einsetzt, sollte man praktisch die Zeitkonstante τ bestimmen können. Das Problem sind die weiteren unbekannten Werte von Uind und RL. Um dies aus dem Weg zu gehen, wird die o. g. Messung zwei Mal zu den Zeitpunkten t1 und t2 durchgeführt. Man erhält dann die Gleichungen 3 und 4: wobeiist.If one measures the current value I 1 = I (t 1 ) and at the time t 1 and its value in Eq. 2, you should be able to practically determine the time constant τ. The problem is the other unknown values of U ind and R L. To avoid this, the above-mentioned measurement is carried out twice at the times t 1 and t 2 . One then obtains
Durch die Division der beiden Seiten der Gl. 1 durch die der Gl. 2 wird der unbekannte Faktor C gekürzt und Gl. 5 wird resultiert. Dabei sind die Messwerte t1, t2, I1 und I2 bekannt, während nur die Zeitkonstante τ unbekannt ist.By dividing the two sides of Eq. 1 by the Gl. 2, the unknown factor C is shortened and Eq. 5 is resulted. The measured values t 1 , t 2 , I 1 and I 2 are known, while only the time constant τ is unknown.
Eine Lösung der Gl. 5 ist durch die Taylor-Reihenentwicklung der Exponentialfunktion möglich: A solution of Eqs. 5 is possible by the Taylor series expansion of the exponential function:
Um die Zeitkonstante τ mithilfe von Gl. 7 zu ermitteln, müssen mindestens zwei Messwerte von I(t) bei t1 und t2, wie in
Für Anwendungen mit hochperformanter Hardware und hoher Rechenkapazität ist es durchaus möglich, auch höhere Grade der Reihenentwicklung zu verwenden oder überhaupt numerische Berechnungen durchzuführen, was zwar höhere Genauigkeit für die Lösung verspricht, die Berechnungs- und Umsetzungsaufwände sind aber erheblich höher. Im Folgenden wird gezeigt, dass die Reihenentwicklung des 2. Grades durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine gute Genauigkeit liefert.For applications with high-performance hardware and high computational power, it is possible to use even higher levels of series expansion or even perform numerical calculations, which promises greater accuracy for the solution, but the calculation and implementation costs are considerably higher. In the following it will be shown that the 2nd order series expansion provides good accuracy by the method of the present invention.
Zunächst aber befassen wir uns mit der Methode der Strommessung, denn die Bestimmung der Stromwerte (s. z. B. Gl. 7) notwendig ist. Eine genaue und simple Strommessung wird üblicherweise mittels eines Messwiderstands (Shunt) realisiert. Dabei wird ein Shunt, welcher einen sehr niedrigen Widerstand (mΩ) und sehr geringe Temperaturabhängigkeit aufweist, in Reihe mit dem Motor geschaltet.First of all, however, we will deal with the method of current measurement, since the determination of the current values (see, for example, equation 7) is necessary. An accurate and simple current measurement is usually realized by means of a shunt resistor. In this case, a shunt, which has a very low resistance (mΩ) and very low temperature dependence, connected in series with the motor.
Die Strommessung kann durchaus auch auf eine andere Art und Weise durchgeführt werden (z. B. mittels berührungsloser Strommessung wie in
Multipliert man in Gl. 7 den Nenner und Zähler mit Rsh, resultiert dann Gl. 8, in die anstatt I1 und I2, die Spannungsmesswerte Ush1 = I1Rsh, bzw. Ush2 = I2Rsh eingesetzt sind: If one multiplies in Eq. 7 denominator and counter with R sh , then Eq. 8, in which instead of I 1 and I 2 , the voltage measurements U sh1 = I 1 R sh , and U sh2 = I 2 R sh are used:
In
Aus dieser Analyse resultiert für das Beispiel in
In
Es könnte möglicherweise für eine langsame Erfassungseinheit schwierig sein ihre Abtastpunkte, v. a. den ersten Abtastpunkt kurz nach dem Signalanstieg durchzuführen. In dem Fall soll die Reihenentwicklung nicht um x = 0 (wie in Gl. 9) sondern um einen Punkt x0, der nicht dicht an x = 0 liegt, berechnet werden. Demzufolge sieht Reihenentwicklung so aus: mit It may possibly be difficult for a slow acquisition unit to perform its sample points, especially the first sample point shortly after the signal rise. In that case, the series expansion should not be computed by x = 0 (as in Equation 9) but by a point x 0 that is not close to x = 0. As a result, Series Development looks like this: With
In dem Fall ist die Lösungsgleichung für die Zeitkonstante τ von zweitem Grad und komplizierter als die einfache Gl. 7 oder 8, folglich wird höhere Rechenleistung für die Auswerteeinheit nötig.In that case, the solution equation for the time constant τ is of a second degree and more complicated than the simple Eq. 7 or 8, consequently higher computing power is required for the evaluation unit.
Mithilfe der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird es ermöglicht, die Innentemperatur eines mit einem PWM-Signal angetrieben DC-Elektromotors ohne Einsatz eines gängigen Temperatursensors zu bestimmen. Dabei wird die Motortemperatur durch die Bestimmung des Verhältnisses der Induktivität L und des Widerstands RL, d. h. die Zeitkonstante der Motorspule bestimmt. In anderen Worten werden die zwei genannten elektrischen Motorparameter mit bekannten Temperaturkennkurven als Temperatursensor herangezogen. Das Verfahren ist nicht anwendbar, wenn RL und L gleiche oder ähnliche Temperatureigenschaften aufweisen, denn, in dem Fall, die Temperaturabhängigkeit ihres Verhältnisses sehr klein und die Temperaturmessung auf dieser Weise mit geringer Auflösung behaftet wird. Die meisten Spulendrähte sind aus Kupfer, dessen spezifischer Widerstand, wie oben erörtert, mit der Temperatur ansteigt. Die Temperaturabhängigkeit von L ist abhängig von der Permeabilität des magnetisierbaren Spulenkerns und lässt sich über gezielte Änderung der Legierungsanteile und deren Beschaffenheit definieren und maßgeschneidert bestimmen. Eine mit der Temperatur fallende Induktivität kann zu einer höheren temperaturabhängigen Zeitkonstante führen als die Temperaturabhängigkeit des Kupfers selbst oder der gängigen Temperaturfüller. Solche Legierungen, z. B. aus Eisen, Silikon und Aluminium, sind auf dem Markt erhältlich, weisen mit dem Temperaturanstieg zwischen der Raumtemperatur und 150°C eine Reduzierung der Permeabilität von ca. 7% auf. In dem Fall ist, angesichts des Anstiegs des Spulenwiderstands von ca. 50% (s. o.), eine Reduzierung von ca. 57% für L/RL, d. h. höhere Messauflösung zu erwarten. Ist die Spule eisenlos, d. h. mit nicht-magnetisierbarem Kern, wird für L keine Temperaturabhängigkeit erwartet.By means of the device of the present invention, it is possible to determine the internal temperature of a DC electric motor driven by a PWM signal without using a common temperature sensor. The motor temperature is determined by the determination of the ratio of the inductance L and the resistance R L , ie the time constant of the motor coil. In other words, the two mentioned electrical engine parameters with known temperature characteristic curves are used as the temperature sensor. The method is not applicable when R L and L have the same or similar temperature characteristics, because, in that case, the temperature dependence of their ratio is very small and the temperature measurement in this way is subject to low resolution. Most coil wires are made of copper whose resistivity, as discussed above, increases with temperature. The temperature dependence of L is dependent on the permeability of the magnetizable coil core and can be defined and tailored by means of targeted change of the alloy constituents and their nature. A falling with the temperature inductance can lead to a higher temperature-dependent time constant than the temperature dependence of the copper itself or the usual temperature filler. Such alloys, for. As iron, silicone and aluminum, are available on the market, have with the temperature rise between the room temperature and 150 ° C, a reduction in the permeability of about 7%. In this case, in view of the increase of the coil resistance of approx. 50% (see above), a reduction of approx. 57% is to be expected for L / R L , ie higher measuring resolution. If the coil is ironless, ie with non-magnetizable core, no temperature dependence is expected for L.
Die Varianz der Temperatureigenschaften von RL und L für eine bestimmte Motorkonstruktion dürfen eine vordefinierte Grenze nicht überschreiten. Prinzipiell ist es vorstellbar, anstatt Heranziehen von unabhängigen und getrennt gemessenen Temperaturkennkurven von RL und L, gleich die Temperaturabhängigkeit von L/RL, d. h. die Zeitkonstante, experimentell zu bestimmen und als Kennkurve einzusetzen.The variance of the temperature characteristics of R L and L for a particular engine design must not exceed a predefined limit. In principle, instead of using independent and separately measured temperature characteristic curves of R L and L, it is conceivable that the temperature dependence of L / R L , ie the time constant, can be determined experimentally and used as a characteristic curve.
Es sind, in der Regel, wie am Anfang darauf hingewiesen, nicht eine sondern mehrere Spulen im DC-Motor vorhanden. Nicht alle Spulen werden gleichzeitig angeschlossen. Während des Motorbetriebs werden durch die Bürstenkontakte die eine oder einige Spulen abgetrennt und eine oder andere durchgeschaltet. Durch diese Ab- und Einschaltungen können gewisse Störsignale in dem Ush-Verlauf auftreten. Durch die schnelle Motordrehung lässt sich jedoch ein relativ rauscharmes USh-Signal erhalten.There are, as a rule, as indicated at the beginning, not one but several coils in the DC motor available. Not all coils are connected at the same time. During engine operation, one or several coils are separated by the brush contacts and one or the other is switched through. Due to these disconnections and connections, certain interference signals can occur in the U sh cycle. Due to the fast motor rotation, however, a relatively low-noise U Sh signal can be obtained.
Die Überwachung und Begrenzung des Motorstroms ist eine der wichtigsten Anforderungen in den industriellen v. a. automotiven Anwendungen. Mithilfe des vorliegenden Verfahrens kann sowohl der Motorstrom als auch die Motortemperatur bestimmt werden. Bei dieser Temperaturmessung besteht kein Bedarf an Einsatz von Temperatursensoren, deren Montierung oder Unterbringung am bzw. im Motor sehr aufwendig sind.The monitoring and limitation of the motor current is one of the most important requirements in the industrial v. a. automotive applications. Using the present method, both the motor current and the motor temperature can be determined. In this temperature measurement, there is no need for the use of temperature sensors whose mounting or placement on or in the engine are very expensive.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- R. A. Matula: Electrical Resistivity of Copper, Gold, Palladium and Silver; J. Phys. Chem. Ref. Data; Vol. 8, No. 4, Seiten 1147–1298, 1979 [0014] RA Matula: Electrical Resistivity of Copper, Gold, Palladium and Silver; J. Phys. Chem. Ref. Data; Vol. 8, no. 4, pages 1147-1298, 1979 [0014]
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