DE10260106A1

DE10260106A1 - Verfahren zum Schutz von Halbleiter-Endstufen

Info

Publication number: DE10260106A1
Application number: DE10260106A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kotthaus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: DE10260106B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz von Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23) eines elektrischen Antriebes (1), die über einen Mikrocontroller (17) und Treiber (18, 19) angesteuert werden und eine Vorgabe der Sollspannung des elektrischen Antriebes (1) über einen Sollwert-Generator (25) erfolgt, ausgehend von einer ersten Temperatur T¶n¶ der Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23). Eine zweite Temperatur T¶n+1¶ wird innerhalb einer Thermoschutz-Routine (30) abhängig vom Lastzustand des elektrischen Antriebes (1) innerhalb eines Mikrocontrollers (17) in Auswerteroutinen "Blockieren" (31), "Verstellung" (35), "Linearbetrieb" (37) geschätzt. Die erste Temperatur T¶n¶ wird um eine Ereignis-abhängig geschätzte Temperaturänderung modifiziert. Eine Schätzung der zweiten Temperatur T¶n+1¶ des elektrischen Antriebes (1) erfolgt in einer dessen Abkühlverhalten nachbildenden Auswerteroutine "Abkühlung" (40) unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur T¶A¶ und das transiente thermische Verhalten der Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23) und deren Umgebung charakterisierender Größen (43, 51, 52, 53, 54).

Description

Technisches Gebiet
Im Automobilbereich werden elektrisch betätigte Gleichstrom-Stellmotoren (DC-Motoren) für vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eingesetzt. Insbesondere beim Einsatz als Fensterheber- oder Schiebedachmotoren wird eine Elektronik eingesetzt, um Funktionen wie zum Beispiel Einklemmschutz oder Automatiklauf realisieren zu können. Die Steuerung und die Richtungswahl der Gleichstrom-Stellmotoren wird heute in der Regel durch den Einsatz von Relais realisiert. Weitere Funktionalitäten wie beispielsweise eine Reduzierung des Anlaufstroms oder eine Verminderung der Anlaufgeräusche bei einem Richtungswechsel können mit Hilfe von vier Transistoren oder durch Einsatz eines Relais sowie eines Transistors und zwei Freilaufdioden realisiert werden.
Stand der Technik
Die Reduzierung des Anlaufstroms sowie eine Verminderung der Anlaufgeräusche bei einem Richtungswechsel der Antriebsrichtung des Gleichstrom-Stellmotors, ferner die Realisierung einer zweiten Geschwindigkeit werden mit Hilfe einer Halbleiter-Endstufe, die vier Transistoren umfasst, in Form einer H-Brücke realisiert. In der Regel wird die Ansteuerung der Transistoren über eine Pulsweitermodulation erfolgen, um so den Motorstrom des Gleichstrom-Stellmotors einstellen und regeln zu können. Die Realisierung zusätzlicher wie der oben aufgeführten Funktionalitäten führt zu erheblichen Problemen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).
Angewandt auf Kraftfahrzeuge bedeutet dies zum einen, dass die verschiedenen dort eingebauten elektrischen und elektronischen Systeme wie die Zündanlage, elektronisches Einspritzsystem, ABS/ASR, Airbag, Autoradio, Autotelefon, Navigationssystem usw. in enger räumlicher Nachbarschaft nebeneinander funktionieren müssen und sich gegenseitig nicht unzulässig beeinflussen dürfen. Zum anderen muss sich das Fahrzeug als System neutral in seine Umwelt einfügen, d.h. es darf weder andere Fahrzeuge elektrisch beeinflussen, noch die Übertragung des Rundfunks, Fernsehens und andere Funkdienste stören. Umgekehrt muss das Fahrzeug in Gegenwart starker Felder (zum Beispiel in der Nähe von Sendern) voll funktionsfähig bleiben. Aus diesen Gründen werden erhebliche Anforderungen an die Ausstattung von Kraftfahrzeugen mit elektrischen Systemen und auch an Kraftfahrzeuge als Ganzes gestellt, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu gewährleisten.
Aus DE 100 07 690 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Antriebsmotors eines Kraftfahrzeug-Verstellantriebes bekannt. An den elektrischen Antriebsmotor des Kraftfahrzeug-Verstellantriebes wird eine variable Spannung angelegt. Zur Realisierung einer variablen Spannung wird ein steuerbarer Widerstand eingesetzt, der die an den Antriebsmotor angelegte Spannung bereitstellt. An den Antriebsmotor des Kraftfahrzeug-Verstellantriebs wird zum Anlaufen desselben zunächst eine Startspannung angelegt, die geringer ist als eine während des Normalbetriebes anliegende Spannung des Antriebsmotors. Die Spannung wird allmählich auf die Nennspannung erhöht. Die Spannungserhöhung kann zumindest teilweise linear erfolgen oder auch teilweise sprungartig hochgefahren werden. Gemäß dieser Lösung wird als Startspannung eine Spannung verwendet, die etwa 30% der Nennspannung des elektrischen Antriebsmotors des Kraftfahrzeug-Verstellantriebes beträgt. Zunächst wird die Spannung für eine kurze erste Zeitdauer konstant auf dem Wert der Startspannung gehalten, bevor diese innerhalb einer zweiten Zeitdauer stetig bis auf eine Zwischenspannung erhöht wird und schließlich sprungartig von der Zwischenspannung auf die Nennspannung angehoben wird. Vor dem Anlaufen des elektrischen Antriebsmotors wird überprüft, in welcher Drehrichtung der Antriebsmotor zuletzt betrieben wurde. An den Antriebsmotor wird nur dann die Startspannung angelegt, wenn der Antriebsmotor in einer zur letzten Drehrichtung entgegengesetzten Richtung anlaufen soll, während in einem anderen Falle zunächst die Nennspannung angelegt wird.
Mittels der DE 100 07 690 A1 lassen sich neue Funktionalitäten wie "Softstart" oder "Sanftstopp" einsetzen, indem einer Linearansteuerung der Lowside-Transistoren genutzt wird, um den Motorstrom des elektrischen Antriebsmotors einzustellen. Dies hat zunächst den Vorteil, dass Auswirkungen auf die elektromagnetische Verträglichkeit erheblich geringer sind und so zusätzliche Bauteile eingespart werden können. Nachteilig gemäß dieser Lösung ist die hohe Verlustleistung innerhalb der Transistoren.
Darstellung der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird ein Verfahren bereitgestellt, welches softwareseitig die Junction-Temperatur von Lowside-Transistoren schätzt, um auf diesem Wege bei einer drohenden Überhitzung der eingesetzten Gleichstrom-Stellmotoren die Funktionalitäten wie "Softstart" bzw. "Sanftstopp" abschalten zu können. Bei der Junction-Temperatur handelt es sich um die Temperatur, welche die heißeste Stelle einer aktiven Siliziumschicht annehmen darf; sie liegt in der Größenordnung von 175°C und darf nicht überschritten werden. Bei bisher eingesetzten Gleichstrom-Stellmotoren ist deren Ansteuerelektronik auf Bedingungen ausgelegt, die einem zu erwartenden, ungünstigsten Falle entsprechen, so dass in der Regel eine Überdimensionierung vorliegt, die unter typischerweise auftretenden Betriebsbedingungen eines elektrisch betätigten Gleichstrom-Stellmotors ausgenutzt werden können.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren unterscheidet zwischen dem thermischen Verhalten eines Gleichstrom-Stellmotors unter typischen Betriebsbedingungen und unter Annahme des ungünstigsten auftretenden Falles (worst-case). Für die im Allgemeinen auftretenden typischen Fälle ist unter Zugrundelegung eines worst-case-Szenariums die Auslegung der Ansteuerelektronik elektrisch betätigter Gleichstrom-Stellmotoren überdimensioniert. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann hinsichtlich des thermischen Verhaltens des Gleichstrom-Stellmotors zwischen typischerweise auftretenden Betriebsbedingungen und worst-case-Fällen unterschieden werden. Somit lassen sich neue Funktionalitäten, wie zum Beispiel die zusätzlichen Komfortfunktionen "Softstart" und "Softstopp", für den typischen Betriebsfall eines elektrisch betätigten Gleichstrom-Stellmotors anbieten ohne den Aufwand zusätzlicher Mehrkosten. Die zusätzlichen Funktionalitäten wie zum Beispiel "Softstart" und "Softstopp" können ohne zusätzliche Bauelemente, wie zum Beispiel Elektrolytkondensatoren oder Induktivitäten in Gestalt von Drosseln, die zur Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeitsgrenzen erforderlich sind, realisiert werden. Im Vergleich zu einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung der elektrisch betätigten Gleichstrom-Stellmotoren wird durch Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens aufgrund der entfallenen Bauelemente ein geringerer Bauraum beansprucht. Des Weiteren bietet das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren den Vorteil, dass die Abschätzung der Junction-Temperatur mit nur geringem zusätzlichen Rechenaufwand erfolgt. Die Implementierung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist an der gängigen Hardware möglich, ohne dass hier signifikante Mehrkosten entstehen würden.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung nachstehend detaillierter beschrieben.
Es zeigt:
1 den Aufbau eines elektrisch betätigten Gleichstrom-Stellmotors,
2 zeigt eine lineare Steuerung eines Elektromotors durch vier als Transistoren ausgebildete Halbleiter-Bauelemente,
3 ein Schaltplan zur linearen Ansteuerung eines Transistors mittels eines Spannungsreglers und eines Sollwert-Generators,
4 die Vorgabe, die dem Sollwert-Generator gemäß 2 zur Ansteuerung von Transistoren aufgegeben wird,
5 eine typische Kennlinie eines Gleichstrom-Motors,
6.1, bis 6.5 die Struktur eines Auswertungsalgorithmus,
7 die beispielhafte Berechnung einer Abkühlkurve ohne Hinzuziehung einer Hilfsvariablen und
8 eine beispielhafte Berechnung der Abkühlkurve unter Hinzuziehung einer Hilfsvariablen, in diesem Falle eine Komponente eines Temperaturvektors T_n.
Ausführungsvarianten
1 ist der Aufbau eines Elektromotors entnehmbar.
Ein Elektromotor 1 gemäß der in 1 wiedergegebenen Darstellung umfasst ein Polgehäuse 2, an dessen Innenumfang mehrere Magnete 3 aufgenommen sind. Im Polgehäuse 2 des Elektromotors 1 ist ein Wellenlager 4 ausgebildet. Das Wellenlager 4 nimmt ein Ende einer Ankerwelle 7 auf, die einen Anker 5 des Elektromotors 1 bildet. Der Anker 5 umfasst eine Wicklung 6, die aus mehreren am Umfang des Ankers 5 angeordneten Wicklungspaketen besteht. Auf der Ankerwelle 7 ist weiterhin ein Kommutator 8 angeordnet, auf dessen Umfangsfläche in einer Elektronikbaugruppe 10 durch Bürstenfedern 16 beaufschlagte Bürsten 15 geführt werden. Ferner ist auf der Ankerwelle 7 des Elektromotors 1 ein Ringmagnet 9 angeordnet, der mit einem innerhalb des Elektronikgehäuses 10 angeordneten Hall-Sensor 14 zusammenarbeitet. Über den Ringmagneten 9 und den Hall-Sensor 14 wird die Drehzahl und die Drehfrequenz des Elektromotors 1 erfasst. In der Elektronikbaugrup pe 10 ist eine Leiterplatte 12 angeordnet, die mit einem ebenfalls in der Elektronikbaugruppe 10 angeordneten Stecker 11 verbunden ist, über den die Elektronikbaugruppe 10 mit dem Bordnetz beispielsweise eines Kraftfahrzeuges verbunden werden kann. Auf der Leiterplatte 12 sind mehrere Elektronikkomponenten 13 aufgenommen, die im einzelnen hier nicht näher dargestellt sind. In der Elektronikbaugruppe 10 sind Ausnehmungen vorgesehen, in denen die den Kommutator 8 der Ankerwelle 7 beaufschlagenden Bürsten 15 geführt sind. In jeder Ausnehmung für die Bürsten 15 innerhalb der Elektronikbaugruppe 10 sind Federn 16 aufgenommen, so dass die Bürsten 15 stets an die Umfangsfläche des Kommutators 8 der Ankerwelle 7 angestellt sind.
2 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit einer linearen Steuerung eines Elektromotors durch vier als Transistoren ausgebildete Halbleiter-Bauelemente.
Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass die dort schematisch dargestellte Linearsteuerung einen Microcontroller 17 (μC) enthält. Über den Microcontroller 17 werden mittels eines ersten Treibers 18 Transistoren 20, 21 auf der High-Side angesteuert, während auf der Low-Side angeordnete Transistoren 22, 23 über einen zweiten Treiber 19 angesteuert werden. Mit Hilfe des gemäß 1 auf der Ankerwelle 7 angeordneten Ringmagneten 9 und dem auf der Leiterplatte 12 montierten Hall-Sensor 14 wird die Drehzahl und die Drehfrequenz des Elektromotors 1 erfasst. Die Transistoren 20, 21 auf der High-Side bzw. 22, 23 auf der Low-Side können als MOSFET-Transistoren, als Bipolartransistoren oder als IGBC- bzw. IGBT-Transistoren ausgeführt sein.
Aus der Darstellung gemäß 3 geht ein Schaltplan zur linearen Ansteuerung von Transistoren mittels eines Spannungsreglers und eines Sollwert-Generators hervor.
Zusätzlich zu dem in 2 dargestellten Schaltungsumfang werden die Transistoren 22, 23 auf der Low-Side über eine Regelschaltung angesteuert. Die in 3 dargestellte Regelschaltung enthält einen Sollwert-Generator 25 und einen diesem nachgeordneten Operationsverstärker 24. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 24 wird mit dem Ausgangssignal des Sollwert-Generators 25 beaufschlagt, während der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 24 mit der Zuleitung zum Elektromotor 1 verbunden ist, von dem in der Darstellung gemäß 3 lediglich der Anker 5 und die Wicklung 6 angedeutet sind. Mit Bezugszeichen 15 sind die gemäß 1 im Elektronikgehäuse 10 angeordneten, federbeaufschlagten Bürsten angedeutet.
Die in 3 dargestellte Regelschaltung, die als einfache Verstärkerschaltung mit Operationsverstärker ausgeführt sein kann, regelt das Gate des Transistors 22 so, dass beim Einschalten des Elektromotors 1 dessen Versorgungsspannung über einen vorgegebenen Signalverlauf langsam zunimmt. Die Zunahme der Versorgungsspannung wird durch ein Signal des mit dem Operationsverstärker 24 verbundenen Sollwert-Generators 25 erzeugt. Die Verschaltung aus Transistor und Operationsverstärker 24 arbeitet als Spannungsregler. Der Sollwert-Generator 25 ist bevorzugt in den Microcontroller 17 (μC) gemäß 2 integriert. Das Signal kann auch durch Auf- bzw. Entladung eines Kondensators über eine Stromquelle generiert werden.
4 zeigt den Verlauf der Vorgabe für den Sollwert-Generator gemäß der Darstellung in 3.
Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass der Signalverlauf des Sollwert-Generators 25 durch einen rampenförmig verlaufenden Spannungsabfal 126 gekennzeichnet ist. Im Ruhezustand sieht der Elektromotor 1 aufgrund der abgeschalteten Transistoren 12 bzw. 13 keine Spannung, da der Sollwert-Generator 25 eine Spannung U ausgibt, die über den Operationsverstärker 24 die Transistoren 12, 13 ausschaltet. Die Spannung am Drain der Low-Side Transistoren 22, 23 liegt folglich auf Versorgungspotential. Zum Zeitpunkt t = t₁ wird der Elektromotor 1 eingeschaltet. Gemäß des rampenförmigen Abfalls 26 senkt der Sollwert-Generator 25 seine Vorgabespannung gemäß des in 4 zwischen t₁ und t₂ dargestellten Signalverlaufs. Die Regelschaltung steuert nun den Transistor 22 gemäß 3 so, dass dessen Drain-Source-Spannung diesem rampenförmigen Abfall 26 folgt. Somit steigt die Spannung, die am Elektromotor 1 ansteht. Zum Zeitpunkt t = t₂ beträgt die Sollvorgabe 0 V, d.h. der Operationsverstärker 24 steuert den Low-Side-Transistor 22 voll auf, so dass am Elektromotor 1 die maximale Spannung anliegt. Innerhalb des Zeitbereichs t₁ bis t₂ steigt demnach die Motorspannung linear an, wodurch der Motor langsam (sanft) anläuft (Funktionalität "Softstart"). Des Weiteren ist der Einschaltstrom des Elektromotors 1 durch diese Maßnahme stark reduziert, so dass die durch zu hohe Einschaltströme hervorgerufenen Störungen innerhalb des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges gleichfalls reduziert werden.
5 ist eine typische Kennlinie eines Gleichstrom-Elektromotors zu entnehmen.
Aus der Darstellung gemäß 5 geht die Abhängigkeit des Motorstromes I_A hervor. Der Motorstrom I_A des Elektromotors 1 kann aus dem Kennlinienfeld gemäß der Darstellung in 5 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannung bestimmt werden. Für einen Gleichstrom-Motor eines elektrischen Verstellantriebes sinkt mit zunehmender Last die Drehzahl entsprechend des Drehzahlverlaufes 27 linear ab. Gleichzeitig steigt das Drehmoment gemäß des Drehmomentverlaufes 29 stark an. Der Motorstrom I_A steigt gemäß des Ankerstromverlaufs 28 ebenfalls rampenförmig an, bis ein maximaler Strom I_Block erreicht ist. Hat die Drehzahl ausgehend von einem Anfangsdreh zahlwert ω₀ den Wert 0 erreicht, ist das Blockiermoment M_Block erreicht, der Elektromotor 1 blockiert. Zu diesem Zeitpunkt fließt im Elektromotor 1 der maximale Strom I_A, welcher zu einer starken Erwärmung im Inneren des Elektromotors 1 führt.
Aus den Darstellungen gemäß der 6.1 bis 6.5 geht eine erfindungsgemäß konfigurierte Thermoschutz-Routine für einen Elektromotor hervor.
Die in der Figurensequenz der 6.1 bis 6.5 dargestellte Thermoschutz-Routine 30 ist durch einen minimalen Rechenaufwand geprägt. Die laufenden Berechnungen innerhalb des Microcontrollers 17 (μC) (gemäß 2) lassen sich in die Ereignisse Verstellung (vgl. 6.1) Routine 31 "Blockieren", eine Routine 35 "Verstellung" (vgl. 6.2), eine Routine 37 "Linearbetrieb" (vgl. 6.3), eine Routine 40 "Abkühlung" sowie eine Routine 41 "Entscheidung" unterteilen.
Die Routine 31 "Blockieren" umfasst einen Eingang 32, an der ein erster Temperaturwert T_n eingangsseitig anliegt. Dieser erste Temperaturwert T_n wird einer Verknüpfungsstelle 33 +/+ aufgegeben. Nach dem Blockiervorgang wird aus dem Blockierstrom I_Block (vgl. 5) und der Blockierdauer Δt_Block sowie aus konstanten Werten, die das transiente thermische Verhalten beschreiben, ein Temperaturoffset berechnet, welcher an der Verknüpfungsstelle 33 +/+ zum ersten Temperaturwert T_n addiert wird. Da die Drehzahl ω im Blockierfall = 0 ist, wird der Strom I_A vorzugsweise aus der Motorkennlinie gemäß der Darstellung in 5 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannung geschätzt. Dabei wird die Verlustleistung von P_Block = R_DSon·I_B _lock ² bestimmt und aus einer thermischen Impedanz Z_th zum Zeitpunkt Δt_Block die Erwärmung ΔT = P_Block·Z_th(Δt_Block) geschätzt. Mit R_DSon ist der Durchlasswiderstand des Transistors im eingeschalteten Zustand bezeichnet, der vorzugsweise temperaturabhängig oder konstant gemäß dem Maximalwert gewählt wird. Am Ausgang 34 der Routine 31 "Blockieren" steht ein um den derart errechneten Temperaturoffset erhöhter zweiter Temperaturwert T_n+1 an.
Die Berechnung eines Temperaturoffsets beim Verstellen eines mittels eines Elektromotors 1 bewegbaren Fahrzeugbauteils erfolgt mittels der in 6.2 dargestellten Routine 35 "Verstellung". Innerhalb der Routine 35 "Verstellung" wird nach einem Verstellvorgang in Hebe- oder Senkrichtung der Fahrzeugkomponente (wie zum Beispiel an einem Fensterheber), aus dem vorzugsweise geschätzten oder gemessenen Strom, der Verstelldauer ein Temperaturoffset bestimmt. Zur Bestimmung des beim Verstellen der Fahrzeugkomponente auftretenden Temperaturoffsets am Elektromotor 1 werden ferner konstante Werte, die das transiente thermische Verhalten beschreiben, für die Transistoren 20, 21, 22 und 23 berechnet. Der derart errechnete Temperaturoffset wird an einer Verknüpfungsstelle 36 +/+ zum am Eingang 32 anliegenden ersten Temperaturwert T_n addiert.
Der Strom I_A wird innerhalb der Routine 35 "Verstellung" vorzugsweise dadurch geschätzt, dass zunächst mittels des Hall-Sensors 14 die Drehzahl des Ringmagneten 9 der Ankerwelle 7 erfasst wird. Alternativ kann das Kommutierungsripple des Stromes am Kommutator 8 der Ankerwelle 7 ausgewertet werden. Der Motorstrom I_A kann dann aus der Motorkennlinie (vgl. 5) abhängig von der Umgebungstemperatur T_U und der Versorgungsspannung U_Batt bestimmt werden. Am Ausgang 34 liegt dann ein zweiter Temperaturwert T_n+1 an, der um den beim Verstellen des Elektromotors 1 auftretenden Temperaturoffset erhöht ist.
6.3 ist die Routine 37 "Linearantrieb" zu entnehmen. Nach dem Linearstart des Elektromotors 1 wird basierend auf konstanten Werten, die das transiente thermische Verhalten beschreiben, innerhalb der Routine 37 "Linearbetrieb" ein Temperaturoffset berechnet. Dieser wird zum am Eingang 32 anliegenden ersten Temperaturwert T_n addiert. Da der genaue Verlauf der Verlustleistung sich im ms-Bereich ändert, ist eine Berechnung in einem üblicherweise eingesetzten Microcontroller 17 (μC) nicht möglich. Der im Linearbetrieb des Elektromotors 1 auftretende Temperaturoffset kann beispielsweise durch Annahme eines konstanten Wertes berücksichtigt werden. Der Temperaturoffset wird einer Verknüpfungsstelle 38 +/+ aufgegeben, wodurch zum am Eingang 32 anliegenden ersten Temperaturwert T_n der ermittelte, im Linearbetrieb des Elektromotors 1 auftretende Temperaturoffset addiert wird, so dass am Ausgang 34 ein erhöhter zweiter Temperaturwert T_n+1 ansteht.
6.4 zeigt eine Routine 40 "Abkühlung". Aus der schematischen Wiedergabe gemäß 6.4 geht hervor, dass am Eingang 32 ein erster Temperaturwert T_n anliegt. Ferner liegt eingangsseitig an einem Eingang 39 ein die Außentemperatur des Elektromotors 1 repräsentierender Temperaturwert T_a an. Innerhalb der Routine 40 "Abkühlung", die periodisch, vorzugsweise nach Ablauf einer Zeit Δt aufgerufen wird, erfolgt die Berechnung einer Abkühlkurve derart, dass nach einer gewissen Zeit die geschätzte Temperatur wieder die Umgebungstemperatur erreicht hat. Am Ausgang 34 liegt der zweite Temperaturwert T_n+1 an.
6.5 ist eine Routine 41 "Entscheidung" zu entnehmen, in welcher geprüft wird, ob die zulässige Temperatur des Elektromotors 1 über- bzw. unterschritten wird. Innerhalb der Routine 41 "Entscheidung" kann auch eine abgestufte Entscheidung, wie zum Beispiel "Linearstart freigegeben", "Warnung" oder "Linearstart derzeit nicht möglich" vorgenommen werden. Am Ausgang 34 gemäß der Darstellung in 6.5 liegt abhängig von der Über- bzw. Unterschreitung der zulässigen Temperatur ein Freigabesignal für einen Linearstart des Elektromotors 1 an oder nicht.
7 ist eine beispielhafte Berechnung der Abkühlkurve ohne Verwendung einer Hilfsvariablen zu entnehmen, wie sie in der in 6.4 dargestellten Routine 40 "Abkühlung" vorgenommen werden kann. Vorzugsweise wird der am Eingang 39 anliegende Temperaturwert für die Außentemperatur T_A mit dem am Eingang 32 anliegenden ersten Temperaturwert T_n für die aktuelle Temperatur des Elektromotors 1 an einer Verknüpfungsstelle 42 –/+ verknüpft. Die in 7 dargestellte Routine "Abkühlung" umfasst eine Temperaturfunktion 43, die durch eine Exponentialfunktion T(t) = Ta + ΔT·exp(–t/τ) mit der Umgebungstemperatur T_a, der Übertemperatur ΔT vor dem Abkühlvorgang, der charakteristischen Zeitkonstante τ und der Zeit t beschrieben werden kann. Für die Umsetzung dieser Exponentialfunktion in einem Microcontroller 17 (μC) wird die Exponentialfunktion in eine Rekursionsformel zur periodischen Berechnung nach Ablauf der Zeit Δt umgeformt. Die Umformung kann durch die Beziehung: Tn+1 = f·(Tn – Ta) + Ta dargestellt werden. Der Exponentialterm f = exp(–Δt/τ) ist eine experimentell zu bestimmende Größe. Der durch die Funktion erhaltene Temperaturwert T₊₁ wird an einer Verknüpfungsstelle 44 +/+ mit der Außentemperatur T_A, die am Eingang 39 der Routine 40 "Abkühlung" anliegt, verknüpft. Am Ausgang 34 wird ein aufgrund des unter Heranziehung der Exponentialfunktion ermittelter zweiter Temperaturwert T_n+1 erhalten, der unter dem ersten Temperaturwert T_n liegt, der am Eingang 32 der Routing 40 "Abkühlung" anliegt.
Gemäß dieser Ausgestaltungsvariante der Routine 40 "Abkühlung" erfolgt die Berechnung einer Abkühlkurve ohne Heranziehung einer Hilfsvariablen.
Aus der Darstellung gemäß 8 geht eine beispielhafte Berechnung einer Abkühlkurve unter Heranziehung einer Hilfsvariablen in Gestalt eines Temperaturvektors hervor.
Alternativ kann der Eingangstemperaturwert T_n, 55, der am Eingang 32 der Routine 40 "Abkühlung" anliegt, auch als Temperaturvektor mit 2 Komponenten dargestellt werden. Sowohl der am Eingang 39 anliegende Außentemperaturwert T_A und der am Eingang 32 anliegende Temperaturvektor 55 T_n werden an einer Verknüpfungsstelle 42 –/+ miteinander verknüpft. Der zwei Komponenten enthaltende Temperaturvektor T_n 55 wird in einem Demultiplexer zerlegt und anschließend einer Matrixmultiplation 47 unterzogen.
Die Konstante f (vgl. Bezugszeichen 43 gemäß der Darstellung in 7) stellt dann eine 2x2-Matrix 48 dar. Die einzelnen Matrixkomponenten, d.h. die erste Temperaturschätzfunktion 51, eine zweite Temperaturschätzfunktion 52, eine dritte Temperaturschätzfunktion 53 sowie eine vierte Temperaturschätzfunktion 54, können dabei in allen vier Fällen das transiente thermische Verhalten des Gesamtsystems, wie zum Beispiel die Transistor-Substrat-Umgebung darstellen, in der die Transistoren 20, 21, 22, 23 betrieben werden. Die erhaltenen Ergebnisse der ersten Temperaturschätzfunktion 51 sowie der Temperaturschätzfunktion 52 werden an einer ersten Matrix-Verknüpfungsstelle 49 zusammengeführt, während die erhaltenen Resultate der dritten Temperaturschätzfunktion 53 sowie der vierten Temperaturschätzfunktion 54 an einer zweiten Matrix-Verknüpfung 50 zusammengeführt werden. Die an den Matrix-Verknüpfungen 49 bzw. 50 berechneten Temperaturwerte werden aus ihrer im Demultiplexer 45 zerlegten Form in einem Multiplexer 46 wieder zusammengeführt und dem Ausgang 34 der Routine 40 "Abkühlung" aufgeschaltet.
Mit dem in 6.1 bis 6.5 dargestellten Verfahren kann die Temperatur von Endstufen-Transistoren auf der Low-Side, d.h. die Temperatur der Transistoren 22, 23 abhängig vom Blockierfall, vom Normalbetrieb oder während des Verstellvorganges geschätzt werden, ohne diese Temperatur exakt messen zu müssen. Erhält nun der den Elektromotor 1 ansteuernde Microcontroller 17 (μC) den Befehl, den Elektromotor 1 zu bewegen, wird gemäß der Darstellung in 6.5 innerhalb der Routine 41 "Entscheidung" geprüft, ob eine zulässige Motortemperatur über- bzw. unterschritten wird. Abhängig von dieser Prüfung erfolgt die Freigabe eines Linearstartes durch ein am Ausgang 34 der Routine 41 "Entscheidung" anstehenden Signals. Die Überprüfung, ob die zulässige Temperatur des Elektromotors 1 über- bzw. unterschritten wird, kann auch in mehreren Stufen erfolgen, wobei gemäß jeder einzelnen Stufe unterschiedliche Signale ausgegeben werden. Wird die zulässige Motortemperatur unterschritten, kann ein "ok"-Signal ausgegeben werden; liegt die aktuelle Temperatur in der Nähe der maximal zulässigen Temperatur, erfolgt die Ausgabe einer Warnung, wird innerhalb der Routine 41"Entscheidung" festgestellt, dass der zweite Temperaturwert T_n+1 am Ausgang 34 oberhalb der maximal zulässigen Temperatur des Elektromotors 1 liegt, wird eine Meldung "Start nicht möglich" ausgegeben. Der in den 6.4 bzw. in den Varianten gemäß der 7 und 8 dargestellte Block 40, d.h. die Routine "Abkühlung" wird vorzugsweise periodisch nach Ablauf eines Zeitintervalls Δt aufgerufen.

1: Elektromotor
2: Polgehäuse
3: Magnet
4: Wellenlager
5: Anker
6: Wicklung
7: Ankerwelle
8: Kommutator
9: Ringmagnet
10: Elektronikbaugruppe
11: Stecker
12: Leiterplatte
13: Elektronikkomponente
14: Hall-Sensor
15: Bürsten
16: Bürstenfeder
17: Microcontroller (μC)
18: erster Treiber (High-Side)
19: zweiter Treiber (Low-Side)
20: Transistor High-Side
21: Transistor High-Side
22: Transistor Low-Side
23: Transistor Low-Side
24: Operationsverstärker
25: Sollwert-Generator
26: rampenförmiger Spannungsabfall
27: Drehzahlverlauf (ω)
28: Ankerstromverlauf (I_A)
29: Drehmomentverlauf (M)
30: Thermoschutz-Routine
31: Routine "Blockieren"
32: Eingang erster Temperaturwert T_n
33: Verknüpfungsstelle +/+
34: Ausgang zweiter Temperaturwert T_n+1
35: Routine "Verstellung"
36: Verknüpfungsstelle +/+
37: Routine "Linearbetrieb"
38: Verknüpfungsstelle +/+
39: Außentemperatur T_A = T_a
40: Routine "Abkühlung"
41: Routine "Entscheidung"
42: Verknüpfungsstelle +/–
43: Temperaturübergangs-Koeffizient
44: Verknüpfungsstelle +/+
45: Demultiplexer
46: Multiplexer
47: Matrixmultiplikation
48: 2x2-Matrix
49: erste Matrix-Verknüpfung
50: zweite Matrix-Verknüpfung
51: erster Temperaturübergangskoeffizient
52: zweiter Temperaturübergangs-Koeffizient
53: dritter Temperaturübergangs-Koeffizient
54: vierter Temperaturübergangs-Koeffizient
55: Temperaturvektor T_n (2 Komponenten)

Claims

Verfahren zum Schutz von Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23) eines elektrischen Antriebes (1), die über einen Microcontroller (17) und Treiber (18, 19) angesteuert werden, ausgehend von einer ersten Temperatur T_n der Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23) mit nachfolgenden Schritten: – eine zweite Temperatur T_n+1 wird abhängig von Lastzuständen des elektrischen Antriebes (1) im Microcontroller (17) geschätzt, wobei die erste Temperatur T_n um eine Ereignis-abhängig geschätzte Temperaturveränderung modifiziert wird, wonach – eine Schätzung der zweiten Temperatur T_n+1 des elektrischen Antriebes (1) nach einem Ereignis in einer dessen Abkühlverhalten nachbildenden Modell unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur T_a und das transiente thermische Verhalten der Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23) charakterisierenden Größen (43, 51, 52, 53, 54) erfolgt und – die geschätzte zweite Temperatur T_n+1 mit einer maximal zulässigen Temperatur der Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23) verglichen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf eines Zeitintervalls Δt die zweite Temperatur T_n+1 entsprechend der Rekursionsformel Tn+1 = f·(Tn – Ta) + Tamit T_n: erste Temperatur T_a: Umgebungstemperatur und f: exp(–Δt/τ) experimentell zu bestimmender konstanter Wert erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Darstellung der ersten Temperatur T_n als Mehrkomponenten-Vektor (55) ein Demultiplexen (45) in eine der Komponentenanzahl des Mehrkomponenten-Vektors (55) entsprechende Matrix sowie eine Matrixmultiplikation (47) durchgeführt wird, woran sich ein Multiplexen (46) entsprechend der Komponentenzahl des Mehrkomponenten-Vektors (55) anschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Blockierstrom I_B des elektrischen Antriebes (1) und einer Blockierdauer Δt_Block und das transiente thermische Verhalten beschreibende Werte ein Temperaturoffset berechnet wird, der zur ersten Temperatur T_n an einer Verknüpfungsstelle (33) addiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturoffset aus einem geschätzten Strom sowie einer Verstelldauer des elektrischen Antriebes (1) unter Berücksichtigung das transiente thermische Verhalten beschreibende Werte für jede der Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23) berechnet wird, welcher an einer Verknüpfungsstelle +/+ (36) zur ersten Temperatur T_n addiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der im elektrischen Antrieb (1) fließende Strom durch Ermittlung der Drehzahl eines Ringmagneten (9), der auf einer Ankerwelle (7) des elektrischen Antriebes (1) angeordnet ist und der mittels eines Hall-Sensors (14) im elektrischen Antrieb (1) zusammenarbeitet, geschätzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der im elektrischen Antrieb (1) fließende Strom unter Heranziehung eines Kommutierungs-Ripples aus einem Kennlinienfeld (26, 27, 28, 29) unter Berücksichtigung der Versorgungsspannung U geschätzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Drehzahl ω₀ des elektrischen Antriebes (1) im Blockierfall der im elektrischen Antrieb (1) fließende Strom aus einer Kennlinie (27, 28, 29) geschätzt wird, wobei eine Verlustleistung PBlock = RDSon·IB 2 mit R_DSon Durchlasswiderstand der Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23) und aus einer thermischen Impedanz Z_th zum Zeitpunkt Δt_B eine Erwärmung Δt = PBlock·Zth(ΔtB)geschätzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturänderung des elektrischen Antriebes (1) unter Zugrundelegung konstanter, das transiente thermische Verhalten beschreibender Werte ermittelt wird und die Temperaturänderung zur ersten Temperatur T_n addiert wird.
Verfahren gemäß einer oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das transiente thermische Verhalten charakterisierenden Werte (43, 51, 52, 53, 54) Temperaturübergangs-Koeffizienten sind, die den Wärmeübergang zwischen den Halbleiter-Endstufen (20, 21, 22, 23) und deren Umgebung innerhalb einer Elektronikbaugruppe (10) abbilden.