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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel, ein Steuergerät sowie ein Verfahren zur Vermeidung einer ungleichmäßigen Erhitzung von Phasen eines Synchronmotors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung solche Motoren, welche statische Betriebszustände aufweisen, in welchen sie vergleichsweise hohe Momente zu erbringen haben.
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Bei elektromechanischen Bremskraftverstärkern, die über einen Elektromotor (vorzugsweise eine permanent magneterregte Synchronmaschine (PMSM)) und ein Getriebe eine Kraft auf einen Bremshauptzylinder ausüben, kann sich durch ein konstantes Motormoment an einer bestimmten Druckstangenposition eine Motorphase sehr stark erwärmen. So eine Situation kann beispielsweise durch eine Dauerbetätigung des Bremspedals durch den Fahrer oder durch einen automatischen Bremseingriff (wie z. B. eine Haltefunktion am Hang oder an einer Ampel) entstehen. Dadurch, dass das Motormoment ohne Positionsveränderung aufgebracht wird, wird eine einzelne Motorphase stärker als die anderen Motorphasen bestromt und aufgrund von Verlustwärme stärker erwärmt, was bis zur Überhitzung führen kann.
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Im Stand der Technik wird diesem Phänomen üblicherweise dadurch begegnet, dass die Leistungselektronik und die thermische Auslegung sowohl des elektronischen Steuergerätes (ECU) als auch des Motors für einen dauerhaften Spitzenstrom in einer einzelnen Phase vorgesehen werden. Dies bedingt jedoch teurere, schwerere und größere Komponenten, da die Leistungselektronik, das Steuergerät und der Motor im Vergleich zu einer gleichmäßigen Beanspruchung auf lokal stark erhöhte Wärmeentwicklung auszulegen sind.
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DE 103 19 537 B4 offenbart eine Hilfskraft-Lenkvorrichtung zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft mittels eines Elektromotors. In diesem Zusammenhang wird diskutiert, dass die Verlustleistung in einer Schalteinrichtung zur Realisierung einer PWM-Steuerung zu einem Problem wird, wenn die Zuführung des elektrischen Stromes in einer Periode eines bestimmten Phasenvoreilungswinkels dadurch gesteuert wird, dass der Phasenvoreilungswinkel des Ansteuersignals konstant gehalten wird.
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Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Fehlerfälle insbesondere aufgrund thermischer Überbeanspruchung in elektrischen Synchronmaschinen zu verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Vermeidung einer ungleichmäßigen Erhitzung von Phasen eines Synchronmotors gelöst. Der Synchronmotor kann beispielsweise zur Erzeugung einer elektromechanischen Lenkunterstützung oder einer elektromechanischen Bremskraftverstärkung verwendet werden. Andere Anwendungsfälle sind ebenfalls denkbar und insbesondere dann vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise zu beeinflussen, wenn der Synchronmotor bei besonders niedrigen Drehzahlen oder gar im Stillstand nennenswerte Momente aufzubringen hat. Der Synchronmotor kann beispielsweise einphasig, zweiphasig, dreiphasig und/oder mehrphasig ausgestaltet sein. Zunächst wird ein vordefinierter Bewegungszustand des Synchronmotors unter Last ermittelt. Mit anderen Worten wird festgestellt, dass der Synchronmotor von einem bezüglich seiner Verlustleistung nennenswerten Strom durchflossen wird und weiter einen erfindungsgemäß vordefinierten Betriebszustand (z. B. feststehend oder äußerst langsam rotierend oder äußerst langsam oszillierend) aufweist. Anschließend wird (beispielsweise unter Verwendung einer vordefinierten Referenz bzw. eines Kennfeldes bezüglich Drehzahl und Wärmeentwicklung) eine thermische Belastung einer Phase erkannt, welche wesentlich höher als die thermische Belastung einer anderen Phase ist. Im Ansprechen darauf wird eine Drehposition eines Rotors des Synchronmotors zur Vermeidung der ungleichmäßigen Erhitzung der Phasen automatisch variiert. Das automatische Variieren kann insbesondere mit einer Frequenz kleiner 1 Hz erfolgen, um, sofern eine Änderung der Drehposition für den Anwender eine Rückmeldung erzeugt, diese Rückmeldung besonders wenig auffällig ausfallen zu lassen. Das Variieren der Drehposition kann insbesondere um einen Drehwinkel von elektrischen 360°, zumindest jedoch 240° bzw. +120° und –120°, erfolgen. Auf diese Weise werden unterschiedliche Phasen des Synchronmotors bei der Erzeugung eines Drehmomentes mittels des Synchronmotors verwendet und gleichmäßiger erwärmt, obwohl sich das mittels des Synchronmotors angetriebene System im Wesentlichen in einer Ruheposition befindet. Durch die erfindungsgemäße Regelung können die Komponenten eines Systems zum Betrieb des Synchronmotors kleiner dimensioniert werden, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung einzelner Phasen oder anderer phasenbezogener Bestandteile des Systems zu befürchten ist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Der Bewegungszustand kann beispielsweise durch eine Anwenderaktion bedingt sein. Beispielsweise kann ein Bremspedal bzw. ein Lenkeinschlag in einer bestimmten Position gehalten werden und hierbei ein Mindestmoment vom Synchronmotor angefordert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Bewegungszustand durch eine Fahrerassistenzfunktion eingeleitet werden. Im Falle eines Bremssystems kann beispielsweise die elektromechanische Feststellbremse aktiviert werden, um ein Wegrollen im Stand zu verhindern. Am Beispiel eines Aufzuges kann der Bewegungszustand ein Anhalten des Aufzuges sein.
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Die thermische Belastung der Phase kann beispielsweise anhand einer Strommessung und/oder einer Rotorlageermittlung und/oder einer Drehmomentmessung und/oder einer Drehmomentberechnung und/oder einer Weg-/Kraftmessung erkannt werden. Mit anderen Worten können die vorgenannten Schritte zur Ermittlung einer thermischen Belastung einer Phase einzeln oder in Kombination miteinander herangezogen werden. Die Strommessung steht beispielsweise stellvertretend für eine gewisse elektrische Verlustleistung aufgrund ohmscher Verluste. Die Rotorlageermittlung stellt einen Indikator dafür dar, wie hoch das Ungleichgewicht der Belastung der einzelnen Phasen des Synchronmotors ist, sofern ein nennenswertes Drehmoment vom Synchronmotor bereitgestellt wird. Sofern beispielsweise ein Bremspedal eines elektromotorisch unterstützten Bremssystems mit einem Kraft- und/oder Wegsensor ausgestattet ist, kann auch aus dessen Signal auf das Moment geschlossen werden, mittels dessen der Synchronmotor den Fahrerwunsch unterstützt. Auch dies stellt einen Indikator für die thermische Belastung der Phase bzw. einzelner Phasen dar.
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Die thermische Belastung der Phase kann auch mittels einer Ermittlung einer Dauer des vordefinierten Bewegungszustandes erkannt werden. Da die Bauteile des erfindungsgemäß betriebenen Systems durch eine andauernde Belastung des Synchronmotors bei geringer Drehzahl immer stärker erhitzt werden, kann das automatische Variieren der Drehposition des Rotors erst im Ansprechen auf den Ablauf einer vordefinierten Dauer seit Beginn des vordefinierten Bewegungszustandes gestartet werden. Mit steigender Drehmomentanforderung kann die Verweildauer bis zur erfindungsgemäßen automatischen Variation der Drehposition des Rotors sinken. Dieser Zusammenhang kann in einem Kennfeld oder in mehreren Kennfeldern hinterlegt und erfindungsgemäß abgeprüft werden.
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Das Verfahren kann bevorzugt erst dann gestartet werden, wenn ein vom Synchronmotor angefordertes Mindestmoment ermittelt wird. Das Mindestmoment kann hierbei eine untere Grenze für einen Gefahrenbereich einer thermischen Überhitzung kennzeichnen. Mit anderen Worten wird erst ab Erreichen des Mindestmomentes überhaupt überprüft, ob der vordefinierte Bewegungszustand des Synchronmotors anliegt. Selbstverständlich kann auch das Mindestmoment in Abhängigkeit einer Drehzahl des Synchronmotors derart vordefiniert sein, dass das Mindestmoment mit ansteigender Drehzahl des Synchronmotors steigt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die Logik eines Systems zur Ausführung der erfindungsgemäßen Schritte in gänzlich unproblematischen Situationen mit der Ausführung erfindungsgemäßer Schritte beansprucht wird.
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Die Variation der Drehposition des Rotors des Synchronmotors kann je nach Anwendungsfall um eine zuvor bestehende Ruheposition und/oder in Richtung höherer Momente oder in Richtung niedrigerer Momente erfolgen, wobei auch Mischformen (z. B. eine asymmetrische Variation um eine vorherige Ruheposition) möglich sind. Je nach Anwendungsfall kann es besonders unproblematisch sein, stärkere Haltemomente als vom Anwender bzw. dem Fahrerassistenzsystem gefordert, zu erzeugen.
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Sofern eine Rückkopplung zwischen der Drehposition des Rotors des Synchronmotors und einem Betätigungselement des Anwenders zur Erzeugung des Unterstützungsmomentes besteht, kann eine besonders niedrige Frequenz der Variation verhindern, dass der Anwender die Variation erlebt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuergerät zum Vermeiden einer ungleichmäßigen Erhitzung von Phasen eines Synchronmotors vorgeschlagen. Das Steuergerät umfasst einen Signaleingang, eine Auswerteeinheit und einen Signalausgang. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, mittels des Signaleingangs einen vordefinierten Bewegungszustand des Synchronmotors unter Last zu ermitteln. Dies kann bedeuten, dass ein Stillstand oder eine äußerst geringe Bewegung und/oder ein Bewegungsmuster, welches sich in einem besonders niedrigen Drehwinkelbereich des Rotors abspielt, anhand einer Referenz erkannt wird. Anschließend wird eine vordefinierte thermische Belastung einer Phase anhand einer Referenz erkannt und im Ansprechen darauf über den Signalausgang eine Drehposition eines Rotors des Synchronmotors zur Vermeidung einer ungleichmäßigen Erhitzung der Phasen automatisch variiert. Mit anderen Worten ist das Steuergerät eingerichtet, die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechend denen des vorstehend beschriebenen Verfahrens zu verwirklichen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches ein Steuergerät gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt und einen elektromechanischen Bremskraftverstärker mit einem Synchronmotor umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann der Synchronmotor in einer elektromechanischen Lenkunterstützungsfunktion enthalten sein und das Steuergerät eingerichtet sein, im Falle eines vordefinierten Bewegungszustandes des Ausgangs des Lenksystems eine übermäßige Erhitzung einer Phase zu vermeiden.
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Zusammengefasst schlägt die Erfindung gemäß einem Aspekt einen elektromechanischen Bremskraftverstärker mit einem Steuerungsalgorithmus vor, der die punktuelle Erwärmung einer einzelnen Motorphase verhindert. Die Dauerbetätigung des Bremspedals durch einen Fahrer oder ein externer Bremseingriff, der mit einem konstanten Moment einen bestimmten Bremsdruck aufrechterhalten soll, werden detektiert, indem ein Motormoment oberhalb einer vorbestimmten Schwelle für eine vorbestimmte Zeit anliegt, ohne dass sich die Motorlage verändert. Ist diese Bedingung erfüllt, wird periodisch das Motormoment über eine Positionsregelung derart verändert, dass sich die Motorlage um jeweils eine Motorphase in beide Richtungen (positive bzw. negative Drehrichtung) verändert. Bei einem Motor mit einem Polpaar wären das +/–120° Motorwinkel, bei mehr Polpaaren im Synchronmotor entsprechend weniger. Die Frequenz der aufgeprägten Periode wird derart gewählt, dass der Fahrer davon nichts merkt.
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Die automatische Variation der Drehposition des Rotors des Synchronmotors kann bei sämtlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Bereich ganzzahliger Vielfache von 0,1 Hz, insbesondere im Bereich zwischen 0,1 Hz und 1 Hz liegen. Auf diese Weise wird der Motor nur mit dem Effektivwert des Stroms beaufschlagt.
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Die periodische Beaufschlagung wird solange durchgeführt, bis sich die Bremsanforderung verändert, entweder durch eine Veränderung der Pedalbetätigung oder durch eine Änderung der externen Anforderung (z. B. durch ein Fahrerassistenzsystem).
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Auf diese Weise können die Stromtrageigenschaften der Leistungselektronik und des Motors auf den Effektivwert des Stroms ausgelegt werden. Dadurch sind geringere Produktionskosten und weniger Bauraum erforderlich. Zudem können kleinere, leichtere und einfachere Bauteile benutzt werden.
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Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung in allen Steuergeräten, die eine permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM) zu betreiben haben und lange Zeit ein hohes Moment in einer vordefinierten Motorposition anfordern, von der Erfindung profitieren. Insbesondere können elektromechanische Lenkungen, Bremskraftverstärker und Kupplungsbetätigungen erfindungsgemäß ausgestaltet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fortbewegungsmittels;
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2 ein Funktionsdiagramm veranschaulichend Komponenten und Informationsflüsse in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten elektromechanischen Bremskraftverstärkers;
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3 ein Weg-Zeit-Diagramm veranschaulichend den mit einem Weg eines Rotors eines Synchronmotors korrespondierenden Weg X eines Bremspedals bei einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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4 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Pkw 10 als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels, in welchem ein Ausführungsbeispiel eines elektromechanischen Bremskraftverstärkers 13 angeordnet ist. Ein Bremspedal 1 ist für die Erzeugung einer Kraft auf eine Bremsscheibe 2 und somit zur Bremsung des Pkws 10 vorgesehen. Ein elektrischer Synchronmotor M ist vorgesehen, die vom Anwender auf das Bremspedal 1 ausgeübte Kraft motorisch zu verstärken. Sofern der Fahrer (z. B. an einer roten Ampel am Hang) dauerhaft auf dem Bremspedal 1 steht, kann eine lokale Überhitzung einer einzelnen Phase des Synchronmotors M die Folge sein.
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2 zeigt Komponenten eines erfindungsgemäß ausgestalteten elektromechanischen Bremskraftverstärkers 13, in welchem ein elektromechanischer Synchronmotor M mit drei elektrischen Phasen L1, L2, L3 hinsichtlich seiner Drehposition φ von einem Rotorpositionssensor 8 überwacht wird. Die Signale der Lageerfassung werden vom Rotorpositionssensor 8 an eine Auswerteeinheit 3 bzw. einen Signaleingang 11 einer Wegberechnungseinheit 6 geleitet. Die Wegberechnungseinheit 6 ermittelt einen Druckstangenweg innerhalb des Bremssystems und meldet ihn einer Positionsregelungseinheit 5. Sofern die Positionsregelungseinheit 5 von einer Dauerbetätigungserkennungseinheit 4 aktiviert worden ist, verwendet sie eine vordefinierte periodische Soll-Weg-Vorgabe 7, um über einen Signalausgang 12 ein Sollmoment Msoll an den Synchronmotor M auszugeben. Ein Thermosensor 9 ist (der Anschaulichkeit halber lediglich für eine elektrische Phase L1 exemplarisch dargestellt) vorgesehen, der Dauerbetätigungserkennungseinheit 4 ein Signal repräsentierend eine Temperatur der elektrischen Phase L1 zu übermitteln. Sofern dieses Signal sich stark von einem für eine zweite elektrische Phase L2 bzw. eine dritte elektrische Phase L3 ermittelten Temperatursignal unterscheidet, wird die Positionsregelungseinheit 5 von der Dauerbetätigungserkennungseinheit 4 aktiviert.
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3 zeigt eine Druckstangenposition X des elektromechanischen Bremssystems über der Zeit t. Die Dauerbetätigung des Bremspedals durch den Fahrer, der mit einem konstanten Moment einen bestimmten Bremsdruck aufrechterhalten möchte, wird detektiert, indem eine mit einem Mindestmoment Mmin korrespondierende Druckstangenposition X (Mmin) überschritten wird und ab einem Zeitpunkt tθ0 bis zu einem Zeitpunkt tθ1 ein vordefinierter Bewegungszustand mit nahezu stillstehendem Rotor vorherrscht. Durch die Überschreitung des Mindestmomentes Mmin wird die Ermittlung der dargestellten Zeitdauer des stillstehenden Rotors gestartet und zur Vermeidung einer ungleichmäßigen Erhitzung von Phasen eines Synchronmotors bis zu einem Freigabezeitpunkt tr eine oszillierende Rotorposition als automatische Variation einer Drehposition des Rotors mit niedriger Frequenz veranlasst. Bis zu einem dauerhaften Absenken des Motormomentes in einen thermisch unbedenklichen Bereich wird die Rotorposition auch im Bereich der abfallenden Flanke der Druckstangenposition X kontinuierlich und automatisch in erfindungsgemäßer Weise variiert, um eine Überhitzung einer einzelnen Phase zu vermeiden.
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4 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermeidung einer ungleichmäßigen Erhitzung von Phasen eines Synchronmotors. In Schritt 100 wird ermittelt, dass ein vom Synchronmotor angefordertes Moment ein vordefiniertes Mindestmoment übersteigt. Da nun grundsätzlich die Gefahr einer ungleichmäßigen Erhitzung der Phasen besteht, wird im Ansprechen darauf in Schritt 200 ein vordefinierter Bewegungszustand des Synchronmotors unter Last ermittelt. Aufgrund des Bewegungszustandes ist eine Energieumsetzung in lediglich einer elektrischen Phase des Synchronmotors wahrscheinlich. In Schritt 300 wird daher eine thermische Belastung einer Phase erkannt, indem eine Dauer des vordefinierten Bewegungszustandes in Abhängigkeit einer Strommessung sowie in Abhängigkeit einer Rotorlageermittlung und einer Kraftmessung erfolgt. Anhand vordefinierter Referenzen, welche werksseitig in ein Speichermittel eines erfindungsgemäßen Steuergerätes eingespeichert worden sein können, wird somit eine Abhängigkeit der unterschiedlichen Parameter zur Ermittlung einer thermischen Belastung einer einzelnen Phase vordefiniert. Im Ansprechen darauf wird eine Drehposition eines Rotors des Synchronmotors zur Vermeidung der ungleichmäßigen Erhitzung der Phasen automatisch variiert, indem die Drehmomentanforderung vom Fahrer pulsierend und ausgehend von der Ruhelage erhöht wird.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremspedal
- 2
- Bremsscheibe
- 3
- Steuergerät
- 4
- Dauerbetätigungserkennungseinheit
- 5
- Positionsregelungseinheit
- 6
- Wegberechnungseinheit
- 7
- Periodische Sollwegvorgabe
- 8
- Resolver
- 9
- Temperatursensor
- 10
- Pkw
- 11
- Signaleingang
- 12
- Signalausgang
- 13
- Elektromechanischer Bremskraftverstärker
- 100–400
- Verfahrensschritte
- M
- Synchronmotor
- Mmin
- Mindestmoment
- t
- Zeit
- φ
- Drehposition des Synchronmotors
- X
- Druckstangenposition
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10319537 B4 [0004]
- DE 102010040563 A1 [0005]
- DE 102011081001 A1 [0005]
