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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Elektromotors gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt, eine elektronische Steuereinheit und ein Kraftfahrzeug.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Elektromotoren, sowohl DC-Motoren mit Bürsten als auch DC-Motoren ohne Bürsten, werden auf vielen verschiedenen Gebieten für zahlreiche Anwendungen verwendet. Insbesondere werden heutzutage bürstenlose DC-Motoren (BLDC-Motoren), d. h. elektrische DC-Motoren, deren Wicklungen sich in einem Stator des Motors statt in einem Rotor befinden, gewöhnlich in der Automobilindustrie verwendet, beispielsweise um Kraftstoffpumpen, Pumpen in Harnstoff-Dosierungssystemen und Kühlsystemen, Drosselklappen, Stellgliedern usw. in Kraftfahrzeugen mit Energie zu versorgen, und derartige Motoren können auch im Triebstrang eines Fahrzeugs verwendet werden. Die verwendeten Motoren sind häufig mit eingebauten Triebrädern versehen und sind entweder drehzahlgeregelte oder einfache Ein/Aus-Motoren. Im Allgemeinen ist es für Elektromotoren sowohl von der Art mit als auch ohne Bürsten nützlich, Situationen detektieren zu können, in denen keine Belastung, eine ungewöhnlich geringe Belastung oder eine ungewöhnlich große Belastung auf den Motor ausgeübt wird, um beispielsweise den Motor vor Überhitzung oder Überdrehung zu schützen oder um Fehler in dem System zu detektieren, in dem der Motor verwendet wird.
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Die
US 2013/0186661 offenbart ein Verfahren zum Überwachen eines bürstenlosen DC-Motors in einem Elektrowerkzeug und zum Bestimmen, ob sich der Motor in einem unbelasteten Zustand befindet, in dem der Motor läuft, ohne das eine Belastung auf die Spitze des Elektrowerkzeugs ausgeübt wird. Das Verfahren umfasst das Überwachen einer Stromversorgung und einer Drehzahl des Motors und das Vergleichen des detektierten Stroms und/oder der detektierten Drehzahl mit vordefinierten Schwellenwerten. Basierend auf dem Vergleich wird beurteilt, ob eine Belastung auf den Motor ausgeübt wird oder nicht.
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Ein Problem bei dem Verfahren, das in der
US 2013/0186661 offenbart wird, besteht jedoch darin, dass es eine ausführliche Kenntnis der erwarteten Strompegel und Drehzahlen erfordert. Das Verfahren ist daher auf Anwendungen eingeschränkt, bei denen diese Parameter wohlbekannt sind. Für Anwendungen, bei denen die Strompegel und Drehzahlen unbekannt oder schwieriger vorherzusagen sind, ist das Verfahren nicht genau genug.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das zuvor identifizierte Problem zu lösen und dadurch eine Lösung bereitzustellen, durch die eine unerwartete Belastungssituation auch für Anwendungen mit geringer Kenntnis der erwarteten Strompegel oder Drehzahlpegel identifiziert werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe anhand des zu Beginn definierten Verfahrens erreicht. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- – Überwachen einer Stromversorgung für den Motor und einer Drehzahl des Motors während eines ersten Zeitraums,
- – Überwachen einer Stromversorgung für den Motor und einer Drehzahl des Motors während eines zweiten Zeitraums.
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Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es ferner folgende Schritte umfasst:
- – Speichern von Daten über die Stromversorgung und die Drehzahl während mindestens des ersten Zeitraums,
- – Vergleichen der Stromversorgung während des zweiten Zeitraums mit gespeicherten Daten über die Stromversorgung während des ersten Zeitraums, um eine Stromversorgungsdifferenz zu bestimmen, die eine Differenz der Stromversorgung zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum darstellt,
- – Vergleichen der Drehzahl während des zweiten Zeitraums mit gespeicherten Daten über die Drehzahl während des ersten Zeitraums, um eine Drehzahldifferenz zu bestimmen, die eine Differenz der Drehzahl zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum darstellt,
- – auf der Grundlage der Stromversorgungsdifferenz und der Drehzahldifferenz, Bestimmen, ob sich eine Belastung des Motors vom ersten Zeitraum zum zweiten Zeitraum geändert hat.
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Anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Strom und die Geschwindigkeit während eines ersten Zeitraums mit dem Strom und der Geschwindigkeit während eines zweiten Zeitraums verglichen, und die Ergebnisse dieser Vergleiche werden verwendet, um zu bestimmen, ob sich eine Änderung der Belastung, die auf den Motor ausgeübt wird, geändert hat. Somit beruht das Verfahren nicht auf vordefinierten Schwellenwerten, sondern es ist vielmehr die Detektion einer relativen Zunahme oder Abnahme des Stroms und/oder einer relativen Zunahme oder Abnahme der Drehzahl, die angibt, dass sich eine Belastung des Motors geändert hat. Ein Abfallen der Stromversorgung ohne Abfallen der Drehzahl des Motors oder eine Zunahme der Drehzahl ohne Zunahme der Stromversorgung bedeutet, dass die Belastung am Motor abgenommen hat. Ähnlich bedeutet eine Zunahme der Stromversorgung ohne Zunahme der Drehzahl oder eine Reduzierung der Drehzahl ohne Reduzierung der Stromversorgung, dass die Belastung zugenommen hat. Es wird eine sehr geringe Kenntnis über die Anwendung benötigt, da die Detektion auf relativen Änderungen der Stromversorgung und/oder der Drehzahl beruht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr nützlich zur frühzeitigen Detektion möglicher Fehler in dem System, in dem der Motor funktioniert, und zur Verhinderung schwerwiegenderer Konsequenzen dieser Fehler. Falls beispielsweise der Motor verwendet wird, um eine Pumpe in einem Harnstoff-Dosierungssystem mit Energie zu versorgen, kann eine Situation, in der die Drehzahl des Motors schnell zunimmt, d. h. die Belastung am Motor abgenommen hat, das Vorliegen von Luftblasen in dem Harnstoff-Dosierungssystem bedeuten. Falls stattdessen die Drehzahl abnimmt ohne eine entsprechende Abnahme der Stromversorgung, d. h. eine Zunahme der Belastung am Motor, kann diese bedeuten, dass der Harnstoff-Durchfluss durch das Harnstoff-Dosierungssystem aus irgendeinem Grund eingeschränkt ist, z. B. auf Grund von Durchflussstauungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den weiteren Vorteil, dass es keine zusätzlichen Sensoren oder Signale außer der Stromrückkopplung vom Motor benötigt. Das Verfahren ist deshalb sehr vielseitig und kann bei zahlreichen Anwendungen verwendet werden, bei denen ein Elektromotor verwendet wird. Insbesondere ist dies vorteilhaft für bürstenlose DC-(BLDC)Motoren, da die Stromrückmeldung für derartige Motoren gewöhnlich überwacht wird. Das Verfahren ist jedoch am besten für Anwendungen geeignet, die unter recht statischen Bedingungen oder unter Bedingungen, die gemäß wohlbekannten oder geregelten Methoden variieren, laufen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Vergleichens der Stromversorgung während des zweiten Zeitraums mit gespeicherten Daten über die Stromversorgung während des ersten Zeitraums das Vergleichen einer zweiten durchschnittlichen Stromversorgung während des zweiten Zeitraums mit einer ersten durchschnittlichen Stromversorgung während des ersten Zeitraums. Durch die Betrachtung der durchschnittlichen Stromversorgung kann eine genauere Bestimmung einer unerwarteten Belastungssituation erfolgen, da sich der Einfluss gelegentlicher Stromspitzen oder Stromabfälle reduziert.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Vergleichens der Drehzahl während des zweiten Zeitraums mit gespeicherten Daten über die Drehzahl während des ersten Zeitraums das Vergleichen einer zweiten durchschnittlichen Drehzahl während des zweiten Zeitraums mit einer ersten durchschnittlichen Drehzahl während des ersten Zeitraums. Der Einfluss von gelegentlichen Drehzahlspitzen oder Abfällen wird dadurch reduziert.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Bestimmens, ob sich eine Belastung am Motor geändert hat, das Vergleichen der Drehzahldifferenz mit einer vordefinierten Schwelle. Durch das Vergleichen der Differenz der Drehzahl zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum mit einer Schwelle ist es einfach, zwischen kleineren, normalen und größeren Schwankungen zu unterscheiden, die bedeuten, dass das System oder der Motor nicht richtig funktioniert. Da eine Differenz der Drehzahl und kein absoluter Wert der Drehzahl mit einer Schwelle verglichen wird, ist es nicht notwendig, die normalen Drehzahlpegel des Motors beim Anlegen von Strom zu kennen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Bestimmens, ob sich eine Belastung am Motor geändert hat, das Vergleichen der Stromversorgungsdifferenz mit einer vordefinierten Schwelle. Bei dieser Ausführungsform ist es auch einfach, zwischen normalen und größeren Schwankungen der Belastung zu unterscheiden. Die Funktion des Motors kann ohne Kenntnis des an den Motor angelegten Stroms analysiert werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner folgende Schritte:
- – Überwachen eines Eingabesignals zum Steuern des Motors während des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums,
- – Speichern von Daten über das Eingabesignal während mindestens des ersten Zeitraums,
- – Vergleichen des Eingabesignals während des zweiten Zeitraums mit gespeicherten Daten über das Eingabesignal während des ersten Zeitraums.
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Das Eingabesignal kann beispielsweise die angefragte Drehzahl, das angefragte Drehmoment oder eine andere angefragte Ausgabe von dem Motor sein. Durch Vergleichen der Eingabesignale während der ersten und zweiten Zeiträume ist es möglich zu bestimmen, ob eine detektierte Änderung der Belastung am Motor angemessen ist oder nicht. Eine Änderung der Eingabesignale bedeutet, dass eine gleichzeitige Änderung der Drehzahl und/oder des Stroms erwartet wird, während das Fehlen einer Änderung der Eingabesignale bedeutet, dass die Änderung der Belastung vielleicht nicht normal ist. Falls der Motor von einer Steuereinheit gesteuert wird, die auch verwendet wird, um andere Parameter des Systems zu steuern, in dem der Motor funktioniert, kann leicht überprüft werden, ob sich die Änderung der Belastung aus einer erwarteten Änderung in dem System ergibt oder ob die Änderung der Belastung unerwartet ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner folgenden Schritt:
- – basierend auf dem Vergleich der Eingabesignale und einer bestimmten Änderung der Belastung am Motor, Generieren eines Fehlercodes.
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Der Fehlercode kann z. B. generiert werden, wenn eine Änderung der Belastung ohne entsprechende Änderung der Eingabesignale gegeben ist. Durch das Einrichten eines Fehlercodes ist es möglich, z. B. die Aufmerksamkeit eines Fahrers eines Fahrzeugs, in dem sich der Motor befindet, zu wecken oder eine Suche nach einem Fehler in dem System, in dem der Motor funktioniert, einzuleiten. Das Generieren eines Fehlercodes kann daher nützlich sein, um sekundäre Probleme in dem System zu verhindern oder zu beheben.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren für einen bürstenlosen DC-Motor durchgeführt. Das erfinderische Verfahren ist besonders zum Überwachen eines BLDC-Motors geeignet, da die Stromrückkopplung gewöhnlich für einen derartigen Motor überwacht wird und somit keine zusätzlichen Sensoren oder anderen Geräte benötigt werden.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Computerprogramm erreicht, das Computerprogrammcode umfasst, um zu bewirken, dass ein Computer das vorgeschlagene Verfahren umsetzt, wenn das Computerprogramm auf dem Computer ausgeführt wird.
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Bei anderen Aspekten betrifft die Erfindung auch ein Computerprogramm, das die Merkmale von Anspruch 9 aufweist, ein Computerprogrammprodukt, das die Merkmale von Anspruch 10 aufweist, eine elektronische Steuereinheit, welche die Merkmale von Anspruch 11 aufweist, und ein Kraftfahrzeug gemäß den Ansprüchen 12 und 13.
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Weitere Vorteile sowie vorteilhafte Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung hervorgehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Ablaufschema, welches das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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2 ein schematisches Diagramm, das die Stromversorgung als Funktion der Zeit für einen BLDC-Motor zeigt,
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3 ein anderes Diagramm, das die Stromversorgung als Funktion der Zeit für einen BLDC-Motor zeigt, und
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4 eine schematische Zeichnung einer Steuereinheit zum Umsetzen eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Ein Ablaufschema, das ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung abbildet, wird in 1 gezeigt. In einem ersten Schritt A1 werden eine Stromversorgung I und eine Drehzahl ω eines bürstenlosen DC-(BLDC)Motors während eines ersten Zeitraums T1 anhand einer Überwachungsvorrichtung überwacht. In einem Schritt A2 werden Daten über die Stromversorgung I und die Drehzahl ω in einer Datenbank gespeichert, nachdem sich Strom und Drehung stabilisiert haben. Ein erster durchschnittlicher Wert I_avg1 der Stromversorgung I während des ersten Zeitraums T1 und ein erster durchschnittlicher Wert ω_avg1 der Drehzahl ω während des ersten Zeitraums T1 werden berechnet und in einem Schritt A3 gespeichert. In einem Schritt A4 werden die Stromversorgung I und die Drehzahl ω des Motors während eines zweiten Zeitraums T2 überwacht. Die zweiten durchschnittlichen Werte I_avg2 und ω_avg2 der Stromversorgung I und der Drehzahl (werden jeweils in einem Schritt A5 berechnet. In einem Schritt A6 wird die zweite durchschnittliche Stromversorgung I_avg2 mit der gespeicherten ersten durchschnittlichen Stromversorgung I_avg1 verglichen, und es wird eine Stromversorgungsdifferenz ΔI bestimmt. Diese Stromversorgungsdifferenz ΔI kann als eine tatsächliche Differenz vorliegen, d. h. ΔI = I_avg2 – I_avg1, sie kann jedoch beispielsweise auch als Verhältnis berechnet werden. In einem Schritt A7 wird die zweite durchschnittliche Drehzahl ω_avg2 mit der gespeicherten ersten durchschnittlichen Drehzahl ω_avg1 verglichen, und es wird eine Drehzahldifferenz Δω bestimmt. Auch in diesem Fall kann die Differenz Δω als eine tatsächliche Differenz oder beispielsweise als Verhältnis vorliegen. Basierend auf der detektierten Stromversorgungsdifferenz ΔI und der Drehzahldifferenz Δω wird in einem Schritt A8 bestimmt, ob sich eine Belastung am Motor zwischen dem ersten Zeitraum T1 und dem zweiten Zeitraum T2 geändert hat.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren alle Schritte der ersten Ausführungsform. Zusätzlich zu dem Überwachen der Stromversorgung I und der Drehzahl ω werden die Eingabesignale für den Motor überwacht, wie etwa das angefragte Drehmoment τ und/oder die angefragte Drehzahl ω_req während des ersten Zeitraums T1 und des zweiten Zeitraums T2. Die Eingabesignale oder die Werte, welche die Eingabesignale darstellen, werden in einer Datenbank gespeichert. Wenn in Schritt A8 bestimmt wurde, dass sich eine Belastung am Motor geändert hat, wird überprüft, ob sich auch die Eingabesignale für den Motor geändert haben. Falls sich die Eingabesignale geändert haben, so dass die verringerte/vergrößerte Belastung am Motor zu erwarten war, werden keine Maßnahmen getroffen. Falls sich jedoch die Eingabesignale für den Motor nicht geändert haben und keine Änderung der Belastung zu erwarten war, wird ein Fehlercode generiert. Der Fehlercode kann verwendet werden, um einem Bediener des Motors eine Fehlernachricht mitzuteilen.
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2 zeigt schematisch ein Stromrückkopplungssignal von einem BLDC-Motor, der einer Abnahme der Belastung unterzogen wird. In dem Diagramm wird die Stromversorgung I als Funktion der Zeit t gezeigt. Während eines ersten Zeitraums T1 ist die durchschnittliche Stromversorgung I_avg1 konstant und der Motor läuft mit einer durchschnittlichen Drehzahl ω_avg1. Für einen BLDC-Motor mit n Spulen ist die Drehzahl ω durch 1/(t1·n) gegeben, wobei t1 die Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Stromspitzen ist. Nach dem Zeitraum T1 wird die Belastung am Motor reduziert. Die Zeit t2 zwischen den Stromspitzen ist gleich der Zeit t1 zwischen den Stromspitzen während des ersten Zeitraums T1, so dass der Motor mit einer aufrechterhaltenen Drehzahl ω läuft. Die reduzierte Belastung führt jedoch zu einer reduzierten Stromversorgung I für den Motor, so dass die durchschnittliche Stromversorgung I_avg2 während des zweiten Zeitraums T2 geringer als die durchschnittliche Stromversorgung I_avg1 während des ersten Zeitraums T1 ist. Die Differenz zwischen den durchschnittlichen Stromversorgungen wird hier als ΔI = I_avg1 – I_avg2 gezeigt.
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Auch zeigt 3 schematisch ein Stromrückkopplungssignal von einem BLDC-Motor, der einer Abnahme der Belastung unterzogen wird. In diesem Fall ist die durchschnittliche Stromversorgung jedoch konstant, I_avg1 = I_avg2, doch die Drehzahl ω nimmt stattdessen zu, da t2 < t1.
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Falls keine konstante Stromversorgung I und keine konstante Drehzahl ω beim Hochfahren eines Motors, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht wird, vorzufinden sind, kann man davon ausgehen, dass der Motor überdreht und dass eine unerwartet geringe Belastung am Motor vorliegt.
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4 bildet sehr schematisch eine elektronische Steuereinheit 1 ab, die ein Ausführungsmittel 2, wie etwa eine Zentraleinheit (CPU), zum Ausführen eines Computerprogramms umfasst. Das Ausführungsmittel 2 kommuniziert mit einem Speicher 3, beispielsweise nach Art eines RAM, über einen Datenbus 4. Die Steuereinheit 1 umfasst auch ein nicht vorübergehendes Datenspeichermedium 5, beispielsweise als Flash-Speicher oder Speicher nach Art eines ROM, PROM, EPROM oder EEPROM. Das Ausführungsmittel 2 kommuniziert mit dem Datenspeichermedium 5 über den Datenbus 4. Ein Computerprogramm, das Computerprogrammcode umfasst, um ein Verfahren gemäß der Erfindung umzusetzen, ist auf dem Datenspeichermedium 5 gespeichert.
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Die Erfindung ist natürlich keineswegs auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt. Vielmehr werden für den Fachmann zahlreiche Änderungsmöglichkeiten derselben offensichtlich sein, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0186661 [0003, 0004]
