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:

1 die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands von Kupfer im automotive-relevanten Temperaturbereich; 1 the temperature dependence of the resistivity of copper in the automotive-relevant temperature range;

2 ein Ersatzschaltbild eines Motorstrangs; 2 an equivalent circuit diagram of a motor string;

3 ein rechteckiges periodisches PWM-Signal: a) die Spannung U(t), b) der Strom I(t) als Funktion der Zeit t; 3 a rectangular periodic PWM signal: a) the voltage U (t), b) the current I (t) as a function of the time t;

4 Verläufe der Funktion(1 – ex) und deren ersten vier Reihenentwicklungen; 4 Courses of the function (1 - e x ) and their first four series developments;

5 Bestimmung der Zeitkonstante τ mithilfe von zwei Strommesswerten; 5 Determination of the time constant τ with the aid of two current measuring values;

6 Schaltung mit einem DC-Motor und einem Messwiderstand (Shunt); 6 Circuit with a DC motor and a measuring resistor (shunt);

7a)experimenteller Stromverlauf als Funktion der Zeit, b) linearer Verlauf der Zeitkonstante τ als Funktion der Zeit t; 7a ) experimental current flow as a function of time, b) linear course of the time constant τ as a function of time t;

8 Flussdiagramm für das Verfahren und den Algorithmus zur Ermittlung der Zeitkonstante und der Motortemperatur. 8th Flowchart for the method and the algorithm for determining the time constant and the motor temperature.

1 zeigt die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands von Kupfer im automotive-relevanten Temperaturbereich zwischen –40°C und 150°C, wo eine Steigung von 0,0068 × 10–8 Ωm/K beobachtet wird ( R. A. Matula: Electrical Resistivity of Copper, Gold, Palladium and Silver; J. Phys. Chem. Ref. Data; Vol. 8, No. 4, Seiten 1147–1298, 1979 ). Zudem enthalten die Spulen in den meisten kostengünstigen DC-Motoren magnetisierbare Kerne, dessen magnetische Permeabilität auch temperaturabhängig ist. Generell steigt die Permeabilität mit der Temperatur bis zu einem Maximum an, dann sinkt sie auf den Wert 1 bei der Curie-Temperatur ab. Diese Temperaturabhängigkeit widerspiegelt sich in der Induktivität der Spulen, die Induktivität der Permeabilität proportional (im Folgenden wird der Einfachheit halber von Spule im Singular gesprochen). Enthält die Spule keinen magnetisierbaren Kern („eisenlos”), soll deren Induktivität keine Temperaturabhängigkeit aufweisen. In dem Fall wird dann nur die Temperaturabhängigkeit des Wicklungsdrahts berücksichtigt. Ist die Temperaturabhängigkeit des Ohmschen Widerstands und der Induktivität der Spule bekannt, lässt sich die innere Temperatur (im Motor) durch die Bestimmung des Widerstands und der Induktivität der Spule ermitteln. 1 shows the temperature dependence of the resistivity of copper in the automotive-relevant temperature range between -40 ° C and 150 ° C, where a slope of 0.0068 × 10 -8 Ωm / K is observed ( RA Matula: Electrical Resistivity of Copper, Gold, Palladium and Silver; J. Phys. Chem. Ref. Data; Vol. 8, no. 4, pages 1147-1298, 1979 ). In addition, the coils in most inexpensive DC motors contain magnetizable cores whose magnetic permeability is also temperature-dependent. In general, the permeability increases with the temperature up to a maximum, then drops to the value 1 at the Curie temperature. This temperature dependence is reflected in the inductance of the coils, the inductance of the permeability proportional (hereinafter, for the sake of simplicity, is referred to as the coil in the singular). If the coil does not contain a magnetizable core ("ironless"), its inductance should have no temperature dependence. In that case only the temperature dependence of the winding wire is considered. If the temperature dependence of the ohmic resistance and the inductance of the coil is known, the internal temperature (in the motor) can be determined by determining the resistance and the inductance of the coil.

Jeder Motorstrang kann vereinfacht durch das in 2 dargestellte Schaltbild, das prinzipiell für alle permanentmagneterregten Synchronmaschinen gilt, ersetzt werden. Dabei sind U die angelegte Gleichspannung, L die Spuleninduktivität und RL der Ohmsche Widerstand der Spule. Durch die Motordrehung wird von den Permanentmagneten die Spannung Uind in den Motorstrang induziert. Die in den Motorstrang induzierte Spannung Uind (oder Ankerspannung) ist der Motordrehzahl proportional und bleibt konstant solange die Motordrehzahl und die Motorlast stabil bzw. konstant bleiben. Es gilt dann die folgende Gleichung für den Stromaufbau und -abbau in dem Schaltkreis:

Figure DE102014216312A1_0002
Each engine train can be simplified by the in 2 illustrated circuit diagram, which applies in principle for all permanent magnet synchronous machines, to be replaced. Where U is the applied DC voltage, L is the coil inductance and R L is the ohmic resistance of the coil. Due to the motor rotation, the voltage U ind is induced in the motor string by the permanent magnets. The induced in the motor string voltage U ind (or armature voltage) is proportional to the engine speed and remains constant as long as the engine speed and the engine load remain stable or constant. The following equation then applies to the build-up and -down of the circuit:
Figure DE102014216312A1_0002

Da, wie oben besprochen, der Drehschieber mit periodischen PWM-Signalen angesteuert wird, weist die Spannung U eine rechteckige Form auf (s. 3a): Bei jeder scharfen Kante des PWM-Signals kann die Ableitung des Stroms I ungleich Null werden. Das bedeutet, dass der Auf- und Abbau des Stroms I gewisse Trägheit bekommen, was in Gl. 2, die Lösung der Differentialgleichung Gl. 1 und aus 3b zu erkennen ist:

Figure DE102014216312A1_0003
wobei U0 für den Hochpegelwert des Pulses ist (s. 3a). Der Koeffizient bzw. die Zeitkonstante τ = L/RL in Gl. 2 ist das Maß für die Trägheit des Stromverlaufs I(t), was sich in der Steilheit und Krümmung der Kurve in jeder Halbperiode widerspiegelt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daraus die Zeitkonstante RL/L ermittelt.Since, as discussed above, the rotary valve is driven by periodic PWM signals, the voltage U has a rectangular shape (s. 3a ): At each sharp edge of the PWM signal, the derivative of the current I may become non-zero. This means that the assembly and disassembly of the current I get some inertia, which in Eq. 2, the solution of the differential equation Eq. 1 and off 3b to recognize is:
Figure DE102014216312A1_0003
where U 0 is the high level value of the pulse (s. 3a ). The coefficient or the time constant τ = L / R L in Eq. 2 is the measure of the inertia of the current waveform I (t), which is reflected in the slope and curvature of the curve in each half cycle. With the method according to the invention, the time constant R L / L is determined from this.

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:

Figure DE102014216312A1_0004
wobei
Figure DE102014216312A1_0005
ist.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 equations 3 and 4:
Figure DE102014216312A1_0004
in which
Figure DE102014216312A1_0005
is.

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.

Figure DE102014216312A1_0006
Figure DE102014216312A1_0006

Eine Lösung der Gl. 5 ist durch die Taylor-Reihenentwicklung der Exponentialfunktion möglich:

Figure DE102014216312A1_0007
A solution of Eqs. 5 is possible by the Taylor series expansion of the exponential function:
Figure DE102014216312A1_0007

4 zeigt die Verläufe der Funktion (1 × ex) und deren erste vier Reihenentwicklungen als Funktion von x mit der Zeitkonstante τ = 0,6 ms. Für die folgende Beschreibung ist die Reihenentwicklung des 2. Grades eingesetzt worden, wobei eine guten Deckung von (1 – ex) und der Reihenentwicklung bei x < 0,2 zu erkennen ist (s. den schraffierten Bereich in 4). In dem Fall ist die Lösung der Gl. 5, für die Zeitkonstante τ, die Folgende:

Figure DE102014216312A1_0008
4 shows the curves of the function (1 × e x ) and their first four series developments as a function of x with the time constant τ = 0.6 ms. For the following description, the series expansion of the 2nd degree has been used, whereby a good coverage of (1-e x ) and the series expansion at x <0.2 can be seen (see the hatched area in FIG 4 ). In that case, the solution of Eq. 5, for the time constant τ, the following:
Figure DE102014216312A1_0008

Um die Zeitkonstante τ mithilfe von Gl. 7 zu ermitteln, müssen mindestens zwei Messwerte von I(t) bei t1 und t2, wie in 5 gezeigt, bestimmt werden. Die Messpunkte sollten, wie oben beschrieben und später diskutiert, am besten kleiner als 0,2τm sein, wobei τm die untere Grenze der zu erwartenden Zeitkonstante ist.To calculate the time constant τ using Eq. 7, at least two measurements of I (t) must be made at t 1 and t 2 , as in 5 shown to be determined. The measurement points, as described above and discussed later, should preferably be less than 0.2τ m , where τ m is the lower limit of the expected time constant.

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 DE 10 2012 009 243 B3 und in den Referenzen dort). Hauptsache ist, dass der durch den Motor fließende Strom gemessen wird.The current measurement can certainly also be carried out in another way (eg by means of non-contact current measurement as in DE 10 2012 009 243 B3 and in the references there). The main thing is that the current flowing through the motor is measured.

6 zeigt eine einfache Schaltung mit einem DC-Motor, einem Shunt (Rsh) und einer Spannungsquelle U0 mit rechteckförmiger Wechselspannung. Die Spannungsdifferenzen an den beiden Enden des Shunts und an den beiden Motoranschlüssen werden gleichzeitig mittels einer Erfassungseinheit gemessen. Da der Widerstandswert vom Shunt bekannt ist, kann der Motorstrom I über die Division der Shuntspannung Ush durch den Widerstandswert Rsh bestimmt werden. Als Erfassungseinheit wird üblicherweise ein sogenannter Instrumentenverstärker verwendet, welche drei Operationsverstärker beinhaltet und eine hohe Empfindlichkeit und Temperaturstabilität aufweist. Die Empfindlichkeit ist u. a. sehr wichtig, weil Rsh zu klein ist und folglich die Shuntspannung Ush im mV-Bereich liegt. Die Shuntspannung Ush weist dann die gleiche exponentielle Form auf, wie der Strom I(t) in 3b. Durch die Erfassungseinheit wird die Shuntspannung Ush um mehrere Größenordnungen verstärkt (mit dem Verstärkungsfaktor Av in 6) und an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise ein Mikroprozessor sein, der das Signal über seinen Analog-Digital-Wandler (A/D) aufnimmt. Mithilfe des Algorithmus der vorliegenden Erfindung soll die Stärke der Krümmung dieser Exponentialfunktion d. h. die Zeitkonstante ermittelt werden. Dieser Algorithmus (s. unten) kann z. B. als Software im Mikroprozessor umgesetzt werden. 6 shows a simple circuit with a DC motor, a shunt (R sh ) and a voltage source U 0 with rectangular AC voltage. The voltage differences at the two ends of the shunt and at the two motor terminals are simultaneously measured by means of a detection unit. Since the resistance value of the shunt is known, the motor current I can be determined by dividing the shunt voltage U sh by the resistance value R sh . As a detection unit, a so-called instrument amplifier is usually used, which includes three operational amplifiers and has a high sensitivity and temperature stability. Sensitivity is very important because R sh is too small, and therefore the Shunt voltage U sh is in the mV range. The shunt voltage U sh then has the same exponential form as the current I (t) in 3b , By the detection unit, the shunt voltage U sh is amplified by several orders of magnitude (with the amplification factor A v in 6 ) and forwarded to the evaluation unit. The evaluation unit may for example be a microprocessor which receives the signal via its analog-to-digital converter (A / D). By means of the algorithm of the present invention, the magnitude of the curvature of this exponential function, ie the time constant, shall be determined. This algorithm (see below) can be B. be implemented as software in the microprocessor.

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:

Figure DE102014216312A1_0009
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:
Figure DE102014216312A1_0009

In 7a ist der experimentelle Ush(t) als Funktion der Zeit t aufgetragen. Um die o. g. Krümmung zu vermessen bzw. die Zeitkonstante τ zu bestimmen, wird das Signal an mehreren (mindestens zwei) Zeitpunkten gemessen bzw. abgetastet. Diese Abtastpunkte sind in 7a von a bis f markiert. Die Anzahl der Abtastpunkte und deren Zeitdifferenzen bzw. -intervalle Δt werden bedingt durch die angeforderte Messgenauigkeit und -auflösung eingestellt. Durch den Einsatz der Messwerte von Ush(t) und t in Gl. 8 lassen sich die Werte der berechneten Zeitkonstante τ ab Abtastpunkt b bis einschließlich f (zwischen den Zeitpunkten ta und tb bis einschließlich te und tf) berechnen. In 7b ist der lineare Verlauf von τ als Funktion der Zeit aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass daraus kein konstanter Wert ermittelt wird. Der Grund dafür, wie o. g. erwähnt und auch aus 6 ersichtlich, ist, dass die Funktion (1 – ex) deren Reihenentwicklungen nicht vollständig gleicht. Bei den Reihenentwicklungen aller Grade um sehr kleine Zeitwerte nähert sich der berechneten Zeitkonstante, deren richtigen Wert (am besten bei t = 0). Durch die (lineare) Interpolation der Messwerte und deren (lineare) Extrapolation lässt sich dann der Schnittpunkt an der Y-Achse bestimmen, welcher dann die gesuchte Zeitkonstante liefern soll (7b).In 7a the experimental U sh (t) is plotted as a function of time t. In order to measure the above-mentioned curvature or to determine the time constant τ, the signal is measured or sampled at several (at least two) points in time. These sampling points are in 7a marked from a to f. The number of sampling points and their time differences or intervals .DELTA.t are set due to the requested measurement accuracy and resolution. By using the measured values of U sh (t) and t in Eq. 8, the values of the calculated time constant τ can be calculated from sampling point b up to and including f (between times t a and t b up to and including t e and t f ). In 7b the linear course of τ is plotted as a function of time. It can be seen that no constant value is determined from this. The reason, as mentioned above and also out 6 it can be seen that the function (1 - e x ) does not completely resemble their series developments. In the series developments of all degrees by very small time values, the calculated time constant approaches its correct value (best at t = 0). Due to the (linear) interpolation of the measured values and their (linear) extrapolation, the intersection point on the Y-axis can then be determined, which is then to deliver the sought time constant ( 7b ).

Aus dieser Analyse resultiert für das Beispiel in 7 eine Zeitkonstante gleich 0,5931 ms, welche nur 1,15% von dem eigentlichen Wert (0,6 ms) abweicht, was für viele Anwendungen akzeptabel ist. Ist eine höhere Genauigkeit erforderlich, soll die Anzahl der Abtastpunkte erhöht und der erste Abtastpunkt (d. h. Abtastpunkt a) früher stattfinden (d. h. ta → 0). Dies ist am besten im Inset der 7b ersichtlich. Das Inset zeigt, zum Vergleich, zwei Verläufe für die Zeitkonstante: Die durchgestrichelte Linie ist der Verlauf mit ta = 20 μs (s. 7a), während die durchgezogene Kurve der Verlauf mit ta = 0,1 μs darstellt. In der Linie erscheint eine sehr leichte Krümmung nach oben, wenn ta → 0, folglich tendiert die Zeitkonstante mit einem Wert von 0,6002 weiter zum eigentlichen Wert von 0,6.From this analysis results for the example in 7 a time constant equal to 0.5931 ms, which deviates only 1.15% from the actual value (0.6 ms), which is acceptable for many applications. If higher accuracy is required, the number of sample points should be increased and the first sample point (ie sample point a) take place earlier (ie, t a → 0). This is best in the inset of 7b seen. The inset shows, for comparison, two curves for the time constant: The dashed line is the curve with t a = 20 μs (s. 7a ), while the solid curve represents the curve with t a = 0.1 μs. A very slight curvature appears in the line when t a → 0, so the time constant with a value of 0.6002 tends to be closer to the actual value of 0.6.

In 7a sind nur die Messpunkte bei t ≤ 1,2 ms für die Analyse berücksichtigt worden, d. h. bei Abtastpunkten kleiner als ca. tmax = 0,2τ, mit τ = 0,6 ms, wie oben diskutiert (hier bedeutet tmax = tf). Sind bei einer Anwendung durch die Temperaturänderungen für die Zeitkonstante Werte beispielsweise zwischen 0,4 ms und 0,8 ms zu erwarten, muss die Analyse am besten für t < tmax = 0,08 ms durchgeführt werden (d. h. 0,2 × 0,4 ms = 0,08 ms). Wären für die oben beschriebene Analyse die Daten bei t < tmax = 0,3 ms eingesetzt worden (d. h. halb so viel wie die zu ermittelnde Zeitkonstante), hätte man für die Zeitkonstante einen Wert gleich 0,5915 ms erhalten, d. h. mit einer Abweichung von 1,4%, größer als 1,09% (s. o.), aber trotzdem mit einem nicht so großen Unterschied. Dies bedeutet, dass sich für eine Anwendung mit höheren Toleranzen auch höhere Werte von tmax einsetzen lassen. In dem Fall wird die Anforderung an die Auswerteeinheit geringer, da die Auflösung der Zeitmessung kleiner sein darf. Prinzipiell lässt es empirisch für jede Anwendung eine Nulleinstellung (Offset) festzustellen, welche dann in die Berechnung der Zeitkonstante berücksichtigt wird, um die o. g. Abweichung weiter zu reduzieren.In 7a only the measuring points at t ≤ 1.2 ms have been taken into account for the analysis, ie at sampling points less than about t max = 0.2τ, with τ = 0.6 ms, as discussed above (here t max = t f ). If, for example, values between 0.4 ms and 0.8 ms are to be expected for an application due to the temperature changes for the time constant, the analysis must best be carried out for t <t max = 0.08 ms (ie 0.2 × 0, 4 ms = 0.08 ms). If, for the analysis described above, the data were used at t <t max = 0.3 ms (ie half as much as the time constant to be determined), a value equal to 0.5915 ms would have been obtained for the time constant, ie with a deviation of 1.4%, greater than 1.09% (see above), but still with a not so big difference. This means that even higher t max values can be used for an application with higher tolerances. In that case, the request to the evaluation unit becomes smaller since the resolution of the time measurement may be smaller. In principle, it is empirically possible to determine a zero setting (offset) for each application, which is then taken into account in the calculation of the time constant in order to further reduce the abovementioned deviation.

8 zeigt das Flussdiagramm für das Verfahren und den Algorithmus zur Ermittlung der Zeitkonstante und der Motortemperatur der vorliegenden Erfindung. 8th Figure 4 shows the flowchart for the method and algorithm for determining the time constant and the engine temperature of the present invention.

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:

Figure DE102014216312A1_0010
mit
Figure DE102014216312A1_0011
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:
Figure DE102014216312A1_0010
With
Figure DE102014216312A1_0011

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.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012009243 B3 [0024] DE 102012009243 B3 [0024]

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]

Claims (1)

Verfahren zur Temperaturbestimmung der elektrischen Spule eines Gleichstrommotors, dadurch gekennzeichnet, dass 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 ist, – Bestimmung der Spulentemperatur mit Hilfe der Zeitkonstante τ und der Temperaturkennkurve des Ohmschen Widerstands RL der Spule.Method for determining the temperature of the electrical coil of a DC motor, characterized in that the temperature is determined sensorless with the following method steps: - Determining the time constant τ = L / R L of the coil, where L is the inductance and R L is the ohmic resistance of the coil, - Determination of the coil temperature with the aid of the time constant τ and the temperature characteristic curve of the ohmic resistance R L of the coil.
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