DE10239012A1

DE10239012A1 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines Aktuators

Info

Publication number: DE10239012A1
Application number: DE2002139012
Authority: DE
Inventors: Rolf Mack; Guenter Berger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: DE10239012B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines Aktuators (7, 8, 9, 10), insbesondere an einem Antriebsaggregat (14) eines Kraftfahrzeugs, mit einer räumlich vom Aktuator (10) getrennt angeordneten Steuerelektronik (12), in der mittels eines Temperaturmodells (21) die Temperatur (30) im Aktuator (10) ermittelt wird, wobei das Temperaturmodell (21) zur Korrektur eine Referenztemperatur (34) eines Temperatursensors (26) zugeführt wird und beim Abschalten des Aktuators (10) die ermittelte Temperatur (30) im Aktuator (10) und die Referenztemperatur (34) in einem nichtflüchtigen Speicher (26) abgespeichert werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines Aktuators nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit der WO 99/14835 ist ein elektromotorischer Antrieb mit einem über eine Endstufe ansteuerbaren Elektromotor bekannt geworden, bei dem die Temperatur des Elektromotors aus einem Pulsweiten-Modulations-Signal der Ansteuerschaltung ermittelt wird. Zum Schutz des Elektromotors vor thermischer Überlastung wird beim Überschreiten einer Grenztemperatur das Lastprofil des Elektromotors gesenkt oder abgeschaltet. Bei dieser Ausführung sind keine weiteren zusätzlichen direkten Messungen der Betriebsparameter des Motors, beispielsweise mittels einer Strommessung oder eines Temperatursensors, erforderlich. Dieses Verfahren hat zwar den Vorteil, dass kein zusätzlicher Messaufwand notwendig ist, jedoch ist die ermittelte Temperatur auf Grund der Schwankungen der Umgebungstemperatur des Elektromotors nicht sehr exakt. Ein weiteres Problem besteht darin, dass beim Einschalten des elektromotorischen Antriebs keine zuverlässige Starttemperatur des Elektromotors zur Verfügung gestellt werden kann.
Des weiteren ist bekannt, in unmittelbarer Nähe eines Aktuators einen Temperatursensor anzuordnen, der ein Signal für die Temperaturermittlung des Aktuators zur Verfügung stellt. Ein solcher Temperatursensor direkt am Aktuator ist jedoch mit Kosten und Montageaufwand verbunden, insbesondere wenn dieser einer hohen Vibrationsbelastung ausgesetzt ist. Wird hierbei beim Einschalten des Aktuators als Starttemperatur die Sensortemperatur verwendet, so weicht diese auf Grund des unterschiedlichen Abkühlverhaltens der einzelnen Bauteile von der reellen aktuellen Aktuatortemperatur ab.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass mittels eines Temperaturmodells und der Verarbeitung eines Konektur-Signals eines Temperatursensors die Temperatur im Aktuator sehr exakt und zuverlässig ermittelt werden kann. Durch das Abspeichern der aktuell ermittelten Aktuatortemperatur und der aktuellen Differenzwerte des Temperatursensors stehen diese Daten jederzeit dem Temperaturmodell zur Ermittlung und Konektur der aktuellen Aktuatortemperatur zur Verfügung. Durch die Verwendung eines nichtflüchtigen Speichers stehen diese Temperaturwerte auch nach einem Abschalten des Aktuators bei dessen erneutem Einschalten wieder zur Verfügung, wodurch eine sehr zuverlässige Starttemperatur des Aktuators bei erneutem Einschalten ermittelt werden kann.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach dem Hauptanspruch möglich. So kann die Frequenz des Abspeicherns der Temperaturwerte deren absoluten Beträgen und deren Temperaturänderung angepasst werden, wobei günstigerweise die Temperaturwerte insbesondere unmittelbar vor dem Abschalten des Aktuators im nichtflüchtigen Speicher gesichert werden. Beim erneuten Einschalten des Aktuators nach einer beliebigen Zeitdauer wird aus der abgespeicherten Temperatur des Temperatursensors oder der abgespeicherten Aktuatortemperatur oder vorzugsweise aus beiden abgespeicherten Temperaturen die neue Ausgangstemperatur des Aktuators berechnet.
Dabei kann in einfacher Weise durch die Differenz der abgespeicherten und der aktuellen Sensor-Temperatur die Zeitdauer berechnet werden, während der der Aktuator ausgeschaltet war. Aus dieser berechneten Abschaltdauer kann dann die aktuelle Temperatur im Aktuator berechnet werden.
Besonders günstig ist es, zur Berechnung der Abschaltdauer zuvor ermittelte Zeitkonstanten für die Abkühlung des Temperatursensors im nichtflüchtigen Speicher zu hinterlegen. Diese Zeitkonstanten können zuvor experimentell oder theoretisch bestimmt werden. Zur Berechnung der aktuellen Starttemperatur werden analog die Zeitkonstanten der Abkühlung der Temperatur im Aktuator ebenfalls zuvor im Speicher hinterlegt. Somit kann eine sehr exakte, geeichte Starttemperatur des Aktuators nach einer beliebigen Abschaltdauer berechnet werden.
Weist der Aktuator eine Ansteuerschaltung mit einer Endstufe auf, die mittels eines Pulsweiten-Modulations-Signals angesteuert wird, kann dieses Signal auch vorteilhaft dem Temperaturmodell zugeführt werden, um den Energieeintrag in den Aktuator zu ermitteln, woraus sich in Verbindung mit der aktuellen Umgebungstemperatur die aktuelle Aktuatortemperatur ergibt. Des weiteren kann mittels der Pulsweitenmodulation die Leistung des Aktuators stufenlose geregelt, insbesondere beim Überschreiten einer Grenztemperatur reduziert, werden.
Eine effiziente Berechnung der Aktuatortemperatur mittels dem Temperaturmodell wird durch einen Mikroprozessor realisiert, der ohnehin schon zur Ansteuerung des Aktuators in der Steuerelektronik angeordnet ist. Dadurch sind keine zusätzlichen Bauteile für die Temperaturberechnung notwendig und die Steuerelektronik kann durch die räumliche Trennung vom Aktuator an jedem beliebigen Ort des Kraftfahrzeugs auch in Verbindung mit anderen Elektronikeinheiten angeordnet werden.
Durch die Nutzung eines standardmäßig in einer Steuerelektronik integrierten Temperatursensors ist zur Erfassung eines Referenz-Signals der Umgebungstemperatur kein zusätzlicher Sensor notwendig, wodurch Kosten und Montageaufwand deutlich reduziert werden können. Das Signal dieses Temperatursensors kann daher ebenso für den internen Betrieb der Steuereinheit oder für beliebige andere Funktionen im Kraftfahrzeug genutzt werden.
Wird für mehrere Aktuatoren ein zentrales Steuergerät verwendet, so kann die Temperaturberechnung für jeden einzelnen Aktuator unter Verwendung eines einzigen Mikroprozessors und eines Temperatursensors im zentralen Steuergerät erfolgen. Hierfür können im nichtflüchtigen Speicher unterschiedliche empirische Parameter der einzelnen Aktuatoren hinterlegt werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für die Aktuatoren eines automatischen Schaltgetriebes (ASG) oder einer elektronischen Kupplung, da hier vorteilhafter Weise mehrere Aktuatoren von einem zentralen Steuergerät angesteuert werden können.
Um den Aktuator vor einer thermischen Überlastung und damit vor einer eventuellen Zerstörung zu schützen, wird beim Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur die Leistung des Aktuators reduziert oder bei Bedarf ganz abgeschaltet. Die Parameter des Temperaturmodells sollten auf die Berechnung des kritischsten Temperaturbereichs des Aktuators optimiert werden, z. B. im Falle eines DC-Motors vorzugsweise auf den Bereich der Kohlebürsten.
Bei einer vorteilhaften Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines Aktuators ist eine Steuerelektronik mit einer Überlaststufe zur Temperaturermittlung des Aktuators in einem räumlich von diesem entfernten Gehäuse angeordnet. Durch die Nutzung eines ohnehin vorhandenen Temperatursensors der Elektronikeinheit kann auf einen zusätzlichen Sensor direkt am Aktuator verzichtet werden. Dies ist nur möglich, da bei der Berechnung der Aktuatortemperatur mittels eines Temperaturmodells jederzeit auf die abgespeicherten Temperaturen des Sensorsignals und der aktuell ermittelten Aktuatortemperatur zugegriffen werden kann. Insbesondere stehen diese abgespeicherten Temperaturwerte auch nach einem Ab- und wieder Einschalten des Aktuators auf Grund der Verwendung eines nichtflüchtigen Speichers wieder zur Verfügung. Damit ist eine Anordnung geschaffen, mit der zuverlässig ein Aktuator vor Überhitzung geschützt werden kann, ohne dass hierfür ein zusätzlicher Temperatursensor am Aktuator notwendig ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines endungsgemäßen Verfahrens sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel einer thermischen Überwachungsvonichtung für einen Aktuator,
2 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens während des Betriebs des Aktuators und
3 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Einschalten des Aktuators.
Beschreibung
Die schematisch in 1 dargestellte Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines Aktuators 10 weist eine räumlich von diesem getrennt angeordnete Steuerelektronik 12 auf. Der Aktuator 10 befindet sich beispielsweise in unmittelbarer Nähe zum Antriebsaggregat 14 eines Kraftfahrzeugs, um beispielsweise einen Kupplungs-, Schaltoder Wählvorgang auszuführen. Die Steuerelektronik 12 weist einen Mikroprozessor 16 mit einer Überlaststufe 18 und einer Temperaturermittlung 20 zur Berechnung der aktuellen Aktuatortemperatur 30 auf. Stellt die Überlaststufe 18 fest, dass die Temperatur innerhalb des Aktuators 10 einen bestimmten Grenzwert übersteigt, wird die Leistung des Aktuators 10 mittels eines Pulsweiten-Modulationssignals 32, das eine Endstufe 22 angesteuert, reduziert. Besteht die Gefahr, dass der Aktuator, insbesondere dessen Kollektorbürsten 24, beschädigt werden, wird der Aktuator 10 ganz abgeschaltet. Zur Berechnung der aktuellen Aktuatortemperatur 30 wird der Temperaturermittlung 20 ein Referenzsigna134 eines Temperatursensors 26 zugeführt, der in der Steuerelektronik 12, beispielsweise auf einer nicht näher dargestellten Leiterplatte, angeordnet ist. Des weiteren weist die Steuerelektronik 12 einen nichtflüchtigen Speicher 28 auf, in den die aktuellen Temperaturwerte des Referenzsignals 34 und der ermittelten Aktuatortemperatur 30 eingelesen werden. Im Ausführungsbeispiel werden diese beiden Temperaturen in regelmäßigen Abständen und insbesondere vor dem Abschalten des Aktuators 10 im nichtflüchtigen Speicher 28 hinterlegt.
In einer Variation des Ausführungsbeispiels werden mehrere Aktuatoren 10, 9, 8, 7 von einer zentralen Steuerelektronik 12 angesteuert und die jeweiligen Temperaturen 30 im Aktuator 10, 9, 8, 7 ermittelt und überwacht. Die Aktuatoren 10, 9, 8, 7 sind hierbei Bestandteil eines automatischen Schaltgetriebes (ASG) mit einem Kupplungssteller 9, einem Wählmotor 8 und einem Schaltmotor 7.
In 2 ist das Funktionsschema zur Ermittlung der Aktuatortemperatur 30 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 dargestellt. Hierfür wird der Temperaturermittlung 20, der ein Temperaturmodell 21 zu Grunde liegt, ein Ansteuersigna132 des Aktuators 10 zugeführt, um einen Wärmeeintrag in den Aktuator 10 zu ermitteln, aus dem die vorläufige Aktuatortemperatur 36 berechnet wird. Des weiteren empfängt die Temperaturermittlung 20 ein Referenzsignal 34 des Temperatursensors 26 zur Bestimmung einer Korrektur-Temperatur 38. Die vorläufige Aktuatortemperatur 36 wird dann mit der Konekturtemperatur 38 in der Temperaturermittlung 20 mittels des Temperaturmodells 21 verarbeitet, und die aktuelle Aktuatortemperatur 30 zur Überwachung einer thermischen Überlastung zur Verfügung gestellt. Dabei wird regelmäßig das Referenzsigna134 des Temperatursensors 26, sowie die aus dem Ansteuersigna132 ermittelte vorläufige Aktuatortemperatur 36 und die korrigierte aktuelle Aktuatortemperatur 30 im nichtflüchtigert Speicher 28 hinterlegt. Beim Abschalten des Aktuators 10 werden alle drei Temperaturwerte 30, 34, 36 abgespeichert und stehen beim erneuten Einschalten des Aktuators 10 zur Verfügung.
Die Bestimmung einer aktuellen Start-Temperatur 46 im Aktuator ist in 3 wiedergegeben. Aus der Differenz des aktuellen Referenzsignals 34 und dem vor dem Abschalten des Aktuators 10 abgespeicherten Referenzsignal 34' wird in der Temperaturermittlung 20 eine Ausschaltzeit 40 ermittelt. Hierzu sind im Speicher 28 Parameter 42 der Temperaturänderung des Temperatursensors 26 hinterlegt, deren Einstellungen an veränderliche Umgebungsbedingungen angepasst werden können. Mit Hilfe der Abschaltzeit 40 und ebenfalls im Speicher 28 hinterlegten Zeitkonstanten 44 der Abkühlung des Aktuators 10 wird die abgegebene Wärmemenge 48 des Aktuators 10 berechnet. Die ermittelte Wärmemenge 48 wird mit der abgespeicherten Aktuatortemperatur 30' des Abschaltzeitpunktes verglichen und mit dem aktuellen Referenzsignal 34 des Temperatursensors 26 korrigiert. Auf diese Weise wird dem Verfahren nach 2 zur Temperaturbestimmung des Aktuators 10 im laufenden Betrieb eine zuverlässige, exakte Starttemperatur 46 des Aktuators 10 zur Verfügung gestellt.
Die Steuerelektronik kann räumlich so angeordnet werden, dass davon ausgegangen werden kann, dass nach längerer Betriebspause des Aktuators 10 die Temperatur im Aktuator 10 und die in der Steuerelektronik 12 gemessene Temperatur 34 des Temperatursensors 26 gleich sind. Das Temperaturmodell 21 berücksichtigt dann im laufenden Betrieb auch die Eigenerwärmung der Steuerelektronik 12 und die zusätzliche Erwärmung durch die Bestromung des Aktuators 10. Diese Effekte werden bei der Bestimmung der aktuellen Aktuatortemperatur 30 durch das Temperaturmodell 21 herausgerechnet.
In einer Variation des Ausführungsbeispiels werden im nichtflüchtigen Speicher 28 noch weitere zuvor ermittelten Parameter hinterlegt, die dem Temperaturmodell 21 zur Berechnung der aktuellen Aktuatortemperatur 30 zur Verfügung gestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf den im Ausführungsbeispiel beschriebenen Ablauf beschränkt, sondern kann beliebig variiert oder den speziellen Anforderungen angepasst werden. Dabei umfasst die Erfindung auch einzelne Merkmale der Ausführungsbeispiele oder eine beliebige Kombination der Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele. Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen thermischen Überwachungsverfahrens überwacht die Aktuatoren eines automatischen Schaltgetriebes oder einer elektronischen Kupplung.

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Aktuators (10) – insbesondere an einem Antriebsaggregat (14) eines Kraftfahrzeugs – auf thermische Überlastung mit einer Steuerelektronik (12), wobei mittels eines Temperaturmodells (21) die Temperatur (30) im Aktuator (10) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (12) baulich vom Aktuator (10) getrennt angeordnet ist und dass dem Temperaturmodell (21) als Konektur-Signal eine Referenz-Temperatur (34) eines Temperatursensors (26) zugeführt wird und dass beim Abschalten des Aktuators (10) die ermittelte Temperatur (30) im Aktuator (10) und die Referenz-Temperatur (34) in einem nichtflüchtigen Speicher (28) abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschalten des Aktuators (10) die beim Abschalten abgespeicherte Temperatur (30') im Aktuator (10) und/oder die abgespeicherte Referenz-Temperatur (34') zur Berechnung der aktuellen Start-Temperatur (46) im Aktuator (10) herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschalten des Aktuators (10) mittels der Differenz der abgespeicherten (34') und der aktuellen Referenz-Temperatur (34) eine vorangegangene Abschaltzeit (40) des Aktuators (10) ermittelt wird, die zur Ermittlung der aktuellen Start-Temperatur (46) im Aktuator (10) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltzeit (40) mittels abgespeicherter, zuvor empirisch ermittelter Parameter (42) – insbesondere Zeitkonstanten – der Temperaturänderung im Bereich des Temperatursensors (26) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der aktuellen Start-Temperatur (46) im Aktuator (10) abgespeicherte, empirisch ermittelte Parameter (44) der Temperaturänderung im Aktuator (10) herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (10) eine Endstufe (22) aufweist, die mit einem Pulsweiten-Modulations-Signal (32) angesteuert wird, aus dem ein Energieeintrag in den Aktuator (10) zur Berechnung dessen aktueller Temperatur (30) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (30) im Aktuator (10) mittels des Temperatur-Modells (21) in einem Mikroprozessor (16) der Steuerelektronik (12) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Sensor (26) in der Steuerelektronik (12) angeordnet ist und das Signal der Referenz-Temperatur (34) einer weiteren Anwendung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (12) mehrere Aktuatoren (7, 8 ,9, 10) – insbesondere eines automatischen Schaltgetriebes (15) – ansteuert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten einer Schwelle der ermittelten Temperatur (30) im Aktuator (10) – insbesondere im Bereich der Kollektorbürsten (24) eines DC-Motors – die Leistung des Aktuators (10) variiert oder der Aktuator (10) abgeschaltet wird.
Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines Aktuators (10) – insbesondere an einem Antriebsaggregat (14) eines Kraftfahrzeugs – mit einer Steuerelektronik (12), die eine Überlaststufe (18) und eine Temperaturermittlung (20) des Aktuators (10} aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (12) räumlich getrennt vom Aktuator (10) angeordnet ist und die Vorrichtung einen Temperatursensor (26) aufweist, der ein Referenzsignal (34) an die Temperaturermittlung (20) liefert und in einem nichtflüchtigen Speicher (28) sowohl das Referenzsignal (34), als auch von der Temperaturermittlung (20) erzeugten Signale (30, 36) abspeicherbar sind.