DE102015226076A1 - Method and apparatus for determining a temperature of a component in a mechatronic system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur (T) einer Komponente in einem mechatronischen System (1) mit mehreren Komponenten, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Temperaturbeobachtermodells, das Wärmeübergänge zwischen den Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) des mechatronischen Systems (1) und deren Wärmespeicherkapazität berücksichtigt, um eine Temperatur mindestens einer der Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) abzubilden; – Zyklisches Berechnen des Temperaturbeobachtermodells, um eine aktuelle Temperatur der mindestens einen Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) zu erhalten.The invention relates to a method for determining a temperature (T) of a component in a mechatronic system (1) having a plurality of components, comprising the following steps: providing a temperature observer model, the heat transfer between the components (2, 3, 41, 42, 5, 6) of the mechatronic system (1) and its heat storage capacity taken into account to reflect a temperature of at least one of the components (2, 3, 41, 42, 5, 6); - Cyclically calculating the temperature observer model to obtain a current temperature of the at least one component (2, 3, 41, 42, 5, 6).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft mechatronische Systeme, insbesondere Möglichkeiten zur Bestimmung von Temperaturen von einzelnen Komponenten von mechatronischen Systemen.The invention relates to mechatronic systems, in particular possibilities for determining temperatures of individual components of mechatronic systems.
Technischer HintergrundTechnical background
Mechatronische Systeme umfassen in der Regel elektrische und mechanische Komponenten sowie eine Komponente zur Umwandlung elektrischer Leistung in mechanische Leistung und/oder umgekehrt. Mechatronische Systeme weisen dazu in der Regel Sensorik, Logik und Aktorik auf, die in geeigneter Weise miteinander elektrisch gekoppelt und räumlich zueinander angeordnet sind.Mechatronic systems typically include electrical and mechanical components as well as a component for converting electrical power to mechanical power and / or vice versa. As a rule, mechatronic systems have sensors, logic and actuators which are suitably coupled to one another in an appropriate manner and arranged spatially relative to one another.
Da die genaue Modellierung der Temperatur von Einzelkomponenten in einem mechatronischen System sehr hohe Anforderungen an die Rechenleistung und Abstraktion stellen, werden bislang meist stark vereinfachte Ansätze zur Bestimmung der Temperatur von einzelnen Komponenten gewählt. Solche Verfahren nutzen beispielsweise eine Messung der Bestromungsdauer und eine einfache Abkühlungskurve oder indirekt gemessene Temperaturen.Since the exact modeling of the temperature of individual components in a mechatronic system places very high demands on computing power and abstraction, hitherto mostly simplistic approaches for determining the temperature of individual components have been selected. Such methods use, for example, a measurement of the energization duration and a simple cooling curve or indirectly measured temperatures.
Da die Temperaturen von einzelnen Komponenten üblicherweise zur Realisierung eines thermischen Überlastschutzes bestimmt werden, führen solche in Echtzeitanwendungen übliche, minimalistische Modellierungsansätze meistens dazu, dass die Leistung der betreffenden Komponente des mechatronischen Systems bereits deutlich vor Erreichen einer komponentenspezifischen Grenztemperatur aufgrund der hohen Toleranz reduziert wird oder gegebenenfalls eine thermische Überlast nicht zuverlässig erkannt werden kann.Since the temperatures of individual components are usually determined to realize a thermal overload protection, such minimalistic modeling approaches usual in real-time applications usually lead to the performance of the relevant component of the mechatronic system being significantly reduced before or even reaching a component-specific limit temperature due to the high tolerance a thermal overload can not be reliably detected.
Aus der Druckschrift
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur verbesserten Bestimmung einer Temperatur von Komponenten in einem mechatronischen System zur Verfügung zu stellen, mit dem in Echtzeit Temperaturen von Komponenten in verbesserter Weise bestimmt werden können.It is an object of the present invention to provide a method for improved determination of a temperature of components in a mechatronic system, with which in real time temperatures of components can be determined in an improved manner.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Bestimmen von Temperaturen von Komponenten in einem mechatronischen System nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das System gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is solved by the method for determining temperatures of components in a mechatronic system according to claim 1 and by the device and the system according to the independent claims.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur mindestens einer Komponente in einem mechatronischen System mit mehreren Komponenten vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Bereitstellen eines Temperaturbeobachtermodells, das Wärmeübergänge zwischen den Komponenten des mechatronischen Systems und deren Wärmespeicherkapazität berücksichtigt, um eine Temperatur der Komponenten abzubilden;
- – Zyklisches Berechnen des Temperaturbeobachtermodells, um eine aktuelle Temperatur der mindestens einen Komponenten zu erhalten.
- - Providing a temperature observer model that takes into account heat transfers between the components of the mechatronic system and their heat storage capacity to map a temperature of the components;
- Cyclically calculating the temperature observer model to obtain an actual temperature of the at least one component.
Mit Hilfe eines Temperaturbeobachtermodells als ein Systemmodell können unter Berücksichtigung von Wärmeeinflüssen die Temperaturen von Komponenten auch ohne Vorsehen von Temperatursensoren mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden. Die Genauigkeit reicht aus, einen thermischen Überlastschutz zu realisieren. Des Weiteren können die Wärmeübertragungen der einzelnen Komponenten zu benachbarten Komponenten oder in die Umgebung berücksichtigt werden, so dass eine Modellierungsgenauigkeit der Temperatur der Komponenten über die Genauigkeit des Wärmeübertragungsverhaltens zu benachbarten Komponenten, das die thermische Kopplung der Komponenten bestimmt, bedarfsgerecht festgelegt werden kann.With the help of a temperature observer model as a system model, taking into account heat influences, the temperatures of components can be determined with high accuracy even without providing temperature sensors. The accuracy is sufficient to realize a thermal overload protection. Furthermore, the heat transfers of the individual components to adjacent components or into the environment may be taken into account so that a modeling accuracy of the temperature of the components may be determined as needed via the accuracy of the heat transfer behavior to adjacent components determining the thermal coupling of the components.
Es kann vorgesehen sein, die Wärmeströme und die Temperaturverteilung unter Berücksichtigung des Wärmeübertragungsverhaltens zwischen den Komponenten und/oder zu eventuell vorhandenen Temperatursensoren mit einem Beobachteralgorithmus n-ter Ordnung abgebildet, wobei die Ordnung n der Anzahl der zu beobachtenden Zustände bzw. Komponenten entspricht.It can be provided that the heat flows and the temperature distribution, taking into account the heat transfer behavior between the components and / or possibly existing temperature sensors, are mapped with an nth-order observer algorithm, the order n corresponding to the number of states or components to be observed.
Weiterhin kann in dem Temperaturbeobachtermodell für jede Komponente die in die Umgebung abgegebene Verlustleistung berücksichtigt werden.Furthermore, in the temperature observer model for each component, the power dissipated into the environment can be taken into account.
Es kann vorgesehen sein, dass die Wärmeübergänge zwischen jeweils zwei Komponenten linear abhängig von einem Temperaturunterschied zwischen den momentanen Temperaturen zwischen den jeweils zwei Komponenten dargestellt werden.It can be provided that the heat transfers between each two components are represented linearly as a function of a temperature difference between the instantaneous temperatures between the respective two components.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren für einen Überlastschutz einer Komponente in einem mechatronischen System vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Bestimmen einer Temperatur einer Komponente nach dem obigen Verfahren;
- – Überwachen der Temperatur der Komponente basierend auf einer für die Komponente vorgegebenen Abschalttemperaturschwelle; und
- – Anpassen einer der Komponente zugeführten Leistung abhängig von einem Erreichen oder Überschreiten der Abschalttemperaturschwelle durch die bestimmte Temperatur.
- Determining a temperature of a component according to the above method;
- - monitoring the temperature of the component based on a predetermined shutdown temperature threshold for the component; and
- - Adjustment of a component supplied power depending on reaching or exceeding the shutdown temperature threshold by the specific temperature.
Weiterhin kann das Anpassen der der mindestens einen Komponente zugeführten Leistung in mehreren Stufen oder stufenlos durchgeführt werden. Furthermore, the adaptation of the power supplied to the at least one component can be carried out in several stages or steplessly.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Temperatur einer Komponente in einem mechatronischen System mit mehreren Komponenten vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – ein Temperaturbeobachtermodell bereitzustellen, das Wärmeübergänge zwischen den Komponenten des mechatronischen Systems und deren Wärmespeicherkapazität berücksichtigt, um eine Temperatur der Komponenten abzubilden; und
- – das Temperaturbeobachtermodell zyklisch zu berechnen, um eine aktuelle Temperatur mindestens einer der Komponenten zu erhalten.
- To provide a temperature observer model that takes into account heat transfers between the components of the mechatronic system and their heat storage capacity to map a temperature of the components; and
- - Cyclically calculate the temperature observer model to obtain an actual temperature of at least one of the components.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Realisieren eines Überlastschutzes einer Komponente in einem mechatronischen System vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – eine Temperatur einer Komponente nach dem obigen Verfahren zu bestimmen;
- – die Temperatur der Komponente basierend auf einer für die Komponente vorgegebenen Abschalttemperaturschwelle zu überwachen, und
- – eine der Komponente zugeführten Leistung abhängig von einem Erreichen oder Überschreiten der Abschalttemperaturschwelle durch die bestimmte Temperatur anzupassen.
- To determine a temperature of a component according to the above method;
- To monitor the temperature of the component based on a shutdown temperature threshold set for the component, and
- - Adjust the power supplied to the component depending on reaching or exceeding the shutdown temperature threshold by the specific temperature.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
In
Der Elektromotor
Die Ansteuerung des elektromotorischen Stellgebers
Es ist weiterhin ein Temperatursensor
Jeder der Komponenten ist eine darin gespeicherte Wärmeenergie H2, H3, H41, H42 ,H5, H6 eine Wärmekapazität Cp2; Cp3, Cp41, Cp42, Cp5, Cp6 und eine Temperatur T2, T3, T41, T42, T5, T6 zugeordnet. Weiterhin ist zwischen jeder der Komponenten ein Wärmestrom Q .2,3, Q .6,2, allgemein Q .k,i, von der Komponente k zur Komponente i zugeordnet, wobei jede der Komponenten weiterhin einen Wärmestrom Q .2 ... Q .6 an die Umgebung aufweist, der die an die Umgebung abgegebene Verlustwärme darstellt. Insbesondere ergeben sich Temperaturen der einzelnen Komponenten aus wobei die Matrix A einer invertierten Matrix der Wärmewiderstände Rth zwischen jeweils zwei der Komponenten beschreibt. Each of the components is a heat energy H 2 , H 3 , H 41 , H 42 , H 5 , H 6 stored therein a heat capacity C p2 ; C p3 , C p41 , C p42 , C p5 , C p6 and a temperature T 2 , T 3 , T 41 , T 42 , T 5 , T 6 assigned. Furthermore, there is a heat flow Q between each of the components. 2,3 , Q. 6.2 , generally Q. k, i , from component k to component i, each of the components further having a heat flux Q. 2 ... Q. 6 to the environment, which represents the output to the environment heat loss. In particular, temperatures of the individual components arise wherein the matrix A describes an inverted matrix of the thermal resistances R th between any two of the components.
Die Temperatur einer einzelnen Komponente ist bestimmt aus: The temperature of a single component is determined by:
In diskreter Schreibweise ergibt sich In discrete notation results
Damit ist es möglich, die Temperaturen der einzelnen Komponenten durch Berücksichtigung der Energieeinträge und Verlustleistungen durch einen Beobachteralgorithmus n-ter Ordnung abzubilden, wobei die Ordnung n der Anzahl der zu beobachtenden Komponentenzustände entspricht. Die Nichtlinearitäten resultieren vor allem aus den Wärmeübergängen zwischen jeweils zwei Komponenten, die sich näherungsweise linearisieren lassen oder bei Kenntnis von Konvektionsvorgängen auch nicht linear abschätzen lassen. It is thus possible to map the temperatures of the individual components by taking account of the energy inputs and power losses by an observer algorithm of the nth order, the order n corresponding to the number of component states to be observed. The nonlinearities mainly result from the heat transfer between two components, which can be linearized approximately or can not be estimated linearly with knowledge of convection processes.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, den Energieeintrag in einzelne Komponenten abhängig von der so bestimmten Temperatur zu steuern. Es kann insbesondere eine Leistungsreduktion in mehreren Stufen oder stufenlos realisiert werden. Furthermore, it can be provided to control the energy input into individual components depending on the temperature thus determined. In particular, a power reduction in several stages or continuously can be realized.
Durch die zentrale Berechnung der Temperaturen aller Komponenten des elektromechanischen Systems
Insbesondere können die Abschalttemperaturschwellen mehr an der kritischen Temperatur der einzelnen Komponenten festgelegt werden, da durch das verwendete Modell sich die Temperaturen der einzelnen Komponenten genauer abschätzen lassen.In particular, the shutdown temperature thresholds can be set more at the critical temperature of the individual components, since the model used allows the temperatures of the individual components to be estimated more accurately.
In
Dazu wird in Schritt S1 die Temperatur einer zu überwachenden Komponente gemäß dem obigen Temperaturbeobachtermodell ermittelt. For this purpose, the temperature of a component to be monitored is determined according to the above temperature observer model in step S1.
In Schritt S2 wird überprüft, ob die modellierte Temperatur der zu überwachenden Komponente eine vorgegebene Abschalttemperaturschwelle überschreitet. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so kann die Leistung, die der Komponente zugeführt wird, in Schritt S3 reduziert oder abgeschaltet werden. Andernfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen. In step S2, it is checked whether the modeled temperature of the component to be monitored exceeds a predetermined shutdown temperature threshold. If this is the case (alternative: yes), the power supplied to the component can be reduced or switched off in step S3. Otherwise, it returns to step S1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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