DE10355093A1 - Strombegrenzungsprozess für Gleichstrommotoren mit und ohne Bürsten während starker Spanungsänderungen - Google Patents

Strombegrenzungsprozess für Gleichstrommotoren mit und ohne Bürsten während starker Spanungsänderungen Download PDF

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Abstract

Ein Regelsystem für einen Gleichstrommotor enthält einen Gleichstrommotor 12, einen Stromsensor 14 zum Bestimmen eines Stroms des Motors, einen Spannungssensor 32 zum Messen einer Spannung des Motors 12 und einen Mikrocontroller 33. Der Mikrocontroller ist so aufgebaut und ausgelegt, daß er (1) den festgestellten Strom mit einem Sollwert vergleicht und ein impulsbreitenmoduliertes (PWM) Tastverhältnis zum Regeln des Motors ausgibt und (2) eine PWM-Tastverhältnisgrenze auf der Basis der gemessenen Spannung berechnet und das ausgegebene PWM-Tastverhältnis mit der PWM-Tastverhältnisgrenze vergleicht, so daß, wenn das ausgegebene PWM-Tastverhältnis über der PWM-Tastverhältnisgrenze liegt, das ausgegebene PWM-Tastverhältnis auf die PWM-Tastverhältnisgrenze eingestellt wird. Es wird außerdem ein Verfahren zum Verhindern eines Stromstoßes während großer Spannungsänderungen bei einem Gleichstrommotor offengelegt.

Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die Erfindung betrifft Gleichstrommotoren und insbesondere einen Prozeß zum Begrenzen des Stromstoßes für Gleichstrommotoren mit und ohne Bürsten während starker Spannungsänderungen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Gleichstrommotoren mit und ohne Bürsten werden häufig in batteriebetriebenen Anwendungen verwendet, wie etwa bei Automobilen, elektrischen Fahrzeugen, Gabelstaplern usw. Die Batteriespannung kann sich drastisch ändern, wenn eine große Last wie etwa ein Anlassermotor usw. eingeschaltet wird. Eine große Spannungsänderung kann im Motor einen Stromstoß bewirken, da der Stromregelkreis üblicherweise nicht schnell genug ist, um auf die Spannungsänderung zu reagieren. Dadurch kann der Motor oder die Leistungselektronik ausfallen. 1 zeigt einen typischen Stromstoß, der von einer starken Spannungsänderung in einem Gleichstrommotor hervorgerufen wird.
  • Der Motorstrom wird auf einem Referenzwert geregelt, bevor ein Spannungseinbruch auftritt. Wenn die Spannung einbricht, bricht auch der Strom ein. Dann beginnt der Stromregelkreis, das Tastverhältnis der Impulsbreitenmodulation (PWM-puls width modulation) zu erhöhen, um die Stromabnahme zu kompensieren. Wenn die Spannung zu steigen beginnt, ist der Stromregelkreis nicht schnell genug, das Tastverhältnis der Impulsbreitenmodulation entsprechend zu reduzieren. Deshalb kommt es aufgrund der hohen Spannung und des hohen Tastverhältnisses zu einem Stromstoß. Das Verbessern der Reaktionszeit des Stromregelkreises kann dabei helfen, Stromstöße zu unterdrücken, doch ist diese Verbesserung begrenzt, da die Reaktionszeit des Regelkreises auch von der Erfassungsschaltung, von Motorparametern und der Fähigkeit eines Mikrocontrollers abhängt.
  • Dementsprechend besteht ein Bedarf an der Bereitstellung eines spannungsbasierten Strombegrenzungsprozesses, der schnell auf Spannungsänderungen reagieren kann.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den obenerwähnten Bedarf zu befriedigen. Gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Gleichstrommotor durch ein Verfahren zum Verhindern eines Stromstoßes während starker Spannungsänderungen erreicht. Das Verfahren mißt eine Spannung des Motors, vergleicht die gemessene Spannung mit einer eingestellten Unterspannungsgrenze und, falls die gemessene Spannung unter der Unterspannungsgrenze liegt, hält den Motor für eine bestimmte Zeitdauer an und startet den Motor dann erneut. Das Verfahren berechnet auch eine impulsbreitenmodulierte (PWM) Tastverhältnisgrenze auf der Basis der gemessenen Spannung. Ein ausgegebenes PWM-Tastverhältnis zum Regeln des Motors wird mit der PWM-Tastverhältnisgrenze verglichen, und falls das ausgegebene PWM-Tastverhältnis über der PWM-Tastverhältnisgrenze liegt, wird das ausgegebene PWM-Tastverhältnis so eingestellt, daß es gleich der PWM-Tastverhältnisgrenze ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Regelsystem für einen Gleichstrommotor bereitgestellt. Das System enthält einen Gleichstrommotor, einen Stromsensor zum Bestimmen eines Stroms des Motors, einen Spannungssensor zum Messen einer Spannung des Motors und einen Mikrocontroller. Der Mikrocontroller ist so aufgebaut und ausgelegt, daß er (1) den festgestellten Strom mit einem Sollwert vergleicht und ein impulsbreitenmoduliertes (PWM) Tastverhältnis zum Regeln des Motors ausgibt und (2) eine PWM-Tastverhältnisgrenze auf der Basis der gemessenen Spannung berechnet und das abgegebene PWM-Tastverhältnis mit der PWM-Tastverhältnisgrenze vergleicht, so daß, wenn das ausgegebene PWM-Tastverhältnis über der PWM-Tastverhältnisgrenze liegt, das ausgegebene PWM-Tastverhältnis auf die PWM-Tastverhältnisgrenze eingestellt wird. Der Mikrocontroller ist außerdem so aufgebaut und ausgelegt, daß er die gemessene Spannung mit einer Unterspannungsgrenze vergleicht und, falls die gemessene Spannung unter der Unterspannungsgrenze liegt, den Motor für eine bestimmte Zeitdauer anhält und dann erneut startet.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Kennzeichen der vorliegenden Erfindung sowie die Arbeitsverfahren und die Funktionen der verwandten Elemente der Struktur, die Kombination von Teilen und die Ökonomie der Herstellung ergeben sich bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung und der folgenden beigefügten Ansprüche unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die alle einen Teil dieser Patentschrift bilden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, wobei sich gleiche Bezugszahlen auf gleiche Teile beziehen. Es zeigt:
    •
  • 1 einen durch eine starke Spannungsänderung verursachten typischen Stromstoß in einem Gleichstrommotor.
  • 2 ein Blockschaltbild eines Stromregelsystems eines Gleichstrommotors mit oder ohne Bürste mit einem spannungsbasierten Strombegrenzungsprozeß gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung.
  • 3 die Beziehung zwischen einer berechneten Tastverhältnisgrenze und der Batteriespannung.
  • 4 ein Flußdiagramm, das den spannungsbasierten Strombegrenzungsprozeß der Erfindung anzeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
  • Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Stromregelsystem eines Gleichstrommotors mit oder ohne Bürste, allgemein mit 10 bezeichnet, gemäß der Erfindung gezeigt. Das System 10 enthält einen Gleichstrommotor 12 mit einem Leistungswechselrichter. Der Motor 12 kann ein dreiphasiger oder fünfphasiger usw. Motor mit oder ohne Bürsten sein. Ein Stromsensor 14, wie etwa ein Nebenschluß- oder Hall-Effekt-Sensor, erfaßt den Strom des Motors 12. Ein Tiefpaßfilter 16 filtert Hochfrequenzrauschen wie etwa Schaltrauschen. Ein Verstärker 18 verbessert das gemessene Stromsignal 20 in Anpassung an die Genauigkeit eines nichtgezeigten A/D-Umsetzers. Ein PI-Regler 22 vergleicht die Stromrückkopplung 24 mit einem Stromsollwert 26 und gibt ein PWM-Tastverhältnis 28 zum Regeln des Motors 12 aus.
  • Gemäß der Erfindung enthält das System 10 einen spannungsbasierten Strombegrenzer 30 und einen Spannungssensor 32 zum Erfassen der Motorspannung. Der PI-Regler 22 und der spannungsbasierte Strombegrenzer 30 sind beide in Software implementiert, die von einem Mikrocontroller 33 ausgeführt wird.
  • Der Zweck des Strombegrenzungsprozesses besteht darin, durch Begrenzen des PWM-Tastverhältnisses oder Anhalten des Motorbetriebs einen Stromstoß während starker Spannungsänderungen zu verhindern. Der Begrenzungsprozeß der Erfindung enthält zwei Aktionen: (1) einen Unterspannungsschutz, (2) eine spannungsbasierte PWM-Tastverhältnisgrenze.
  • In Hinblick auf die Unterspannungsfunktion wird die gemessene Spannung 34 über die Software des Begrenzers 30 mit einer voreingestellten Unterspannungsgrenze verglichen. Wenn die gemessene Spannung 34 unter diese Grenze abfällt, signalisiert die Software des Begrenzers 30 dem Mikrocontroller 33, den Betrieb des Motors 12 anzuhalten und den Motor 12 nach einigen Sekunden erneut zu starten. Dieser Unterspannungsschutz verhindert, daß der Stromregelkreis ein unnötig hohes Tastverhältnis erzeugt.
  • Im Hinblick auf die spannungsbasierte PWM-Tastverhältnisgrenze wird auf der Basis der gemessenen Spannung 34 (über die Software des Begrenzers 30) eine PWM-Tastverhältnisgrenze berechnet als: DCL = DCLmax – c∙Vbat wobei DCL die berechnete Tastverhältnisgrenze,
    DCLmax eine Konstante, die den Höchstwert von DCL darstellt,
    c ein Faktor, der für verschiedene Betriebsbedingungen wie etwa Anlaufen, Normalbetrieb usw. auf verschiedene Werte eingestellt werden kann, und
    Vbat die Batteriespannung ist.
  • 3 zeigt die Beziehung zwischen der berechneten Tastverhältnisgrenze und der Batteriespannung. Die berechnete Tastverhältnisgrenze DCL ändert sich sofort mit der Spannungsänderung. Wenn das ausgegebene Tastverhältnis 28 (2) über der Tastverhältnisgrenze DCL liegt, wird das ausgegebene Tastverhältnis 28 so eingestellt, daß es gleich der Tastverhältnisgrenze DCL ist. Deshalb kann der Motorstrom unter einem bestimmten Pegel begrenzt werden. Infolgedessen wird ein übermäßiger Strom selbst bei starken Spannungseinbrüchen, wie etwa wenn der Anlassermotor eines Fahrzeugs betätigt wird, verhindert.
  • Wie oben angemerkt ist der spannungsbasierte Strombegrenzungsprozeß in Software (Begrenzer 30) implementiert und wird durch den Mikrocontroller 33 ausgeführt. Ein Flußdiagramm dieses Teils der Software ist in 4 dargestellt und zeigt einen Stromregelkreis, eine spannungsbasierte PWM-Grenzroutine, eine Überspannungsschutzroutine und eine Unterspannungsschutzroutine. Bei dem Stromregelkreis wird in den Schritten 100 und 110 der Strom 24 mit dem Stromsollwert 26 verglichen (siehe 2). Falls der Strom 24 über dem Sollwert 26 liegt, wird das PWM-Tastverhältnis 28 im Schritt 112 reduziert. Falls der Strom 24 unter dem Sollwert 26 liegt, wird das PWM-Tastverhältnis im Schritt 114 angehoben. Falls der Strom 24 gleich dem Sollwert 26 ist oder nach den Schritten 112 und 114 geht der Prozeß zu Schritt 116 weiter, wo die spannungsbasierte Grenze des PWM-Tastverhältnisses berechnet wird. Schritt 116 beginnt die spannungsbasierte PWM-Grenzroutine. Im Schritt 118 wird bestimmt, ob das PWM-Tastverhältnis 28 über der PWM-Tastverhältnisgrenze liegt. Falls dies der Fall ist, wird in Schritt 120 das PWM-Tastverhältnis so eingestellt, daß es gleich der PWM-Tastverhältnisgrenze ist, und falls dies nicht der Fall ist, geht der Prozeß weiter zu einer bei Schritt 122 beginnenden Überspannungsschutzroutine.
  • In Schritt 122 wird die Batteriespannung mit einer Obergrenze verglichen. Falls die Batteriespannung über der Obergrenze liegt, wird in Schritt 124 der Motor 12 angehalten und ein Wartezeitraum festgelegt. Dach dem Wartezeitraum wird der Motor 12 im Schritt 125 erneut gestartet. Falls die Batteriespannung nicht über der Obergrenze liegt, wird in Schritt 126 die Batteriespannung in der Unterspannungsschutzroutine mit einer Untergrenze verglichen. Falls die Batteriespannung unter der Untergrenze liegt, geht der Prozeß weiter zu den Schritten 124 und 125. Falls die Batteriespannung nicht unter der Untergrenze liegt, kehrt der Prozeß zu Schritt 100 (Stromregelkreis) oder der nächsten Sequenz zurück.
  • Gemäß der Ausführungsform werden somit bei dem vorgeschlagenen Strombegrenzungsprozeß zwei Aktionen angewendet: (1) eine Unterspannungsschutzfunktion wird implementiert; (2) eine spannungsbasierte PWM-Tastverhältnisgrenze wird hinzugefügt. Die erste Handlung hält den Motorbetrieb an, wenn die Spannung unter eine Untergrenze abfällt, und startet den Motor erneut nach ein paar Sekunden. Dieser Unterspannungsschutz verhindert, daß der Stromregelkreis ein unnötig hohes Tastverhältnis erzeugt. Die zweite Handlung bei dem Strombegrenzungsprozeß stellt auf der Basis der Eingabespannung eine PWM-Tastverhältnisgrenze ein. Diese Grenze ändert sich sofort mit den Spannungsänderungen und ersetzt die Ausgabe des Stromregelkreises, falls das ausgegebene Tastverhältnis über der Grenze liegt. Deshalb kann der Motor unter einen bestimmten Pegel begrenzt werden, und ein großer Stromstoß kann verhindert werden.
  • Die obigen bevorzugten Ausführungsformen sind gezeigt und beschrieben worden, um die strukturellen und funktionalen Grundlagen der vorliegenden Erfindung sowie die Verfahren zum Einsetzen der bevorzugten Ausführungsformen zu veranschaulichen, und sind Änderungen unterworfen, ohne von diesen Grundlagen abzuweichen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet deshalb alle Modifikationen, die der Gedanke der folgenden Ansprüche umfaßt.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Verhindern eines Stromstoßes während starker Spannungsänderungen bei einem Gleichstrommotor, wobei das Verfahren folgendes beinhaltet: Messen einer Spannung des Motors, Vergleichen der gemessenen Spannung mit einer eingestellten Unterspannungsgrenze und, falls die gemessene Spannung unter der Unterspannungsgrenze liegt, Anhalten des Motors für eine bestimmte Zeitdauer und dann erneutes Starten des Motors, Berechnen einer impulsbreitenmodulierten (PWM-pulse width modulated) Tastverhältnisgrenze auf der Basis der gemessenen Spannung und Vergleichen eines ausgegebenen PWM-Tastverhältnisses zum Regeln des Motors mit der PWM-Tastverhältnisgrenze und, falls das ausgegebene PWM-Tastverhältnis über der PWM-Tastverhältnisgrenze liegt, Einstellen des ausgegebenen PWM-Tastverhältnisses, so daß es gleich der PWM-Tastverhältnisgrenze ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Gleichstrommotor mit Bürsten ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Gleichstrommotor ohne Bürsten ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tastverhältnis berechnet wird als: DCL = DCLmax – c∙Vbat, wobei DCL die berechnete Tastverhältnisgrenze, DCLmax eine Konstante, die den Höchstwert von DCL darstellt, c ein Faktor, der für einen Betriebszustand des Motors eingestellt wird, und Vbat eine Spannung einer den Motor antreibenden Batterie ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Faktor c auf der Basis eines Anlaßzustands des Motors eingestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Faktor c auf der Basis eines normalen Arbeitszustands des Motors eingestellt wird.
  7. Regelkreissystem für einen Gleichstrommotor, umfassend: einen Gleichstrommotor, einen Stromsensor zum Bestimmen eines Stroms des Motors, einen Spannungssensor zum Messen einer Spannung des Motors, einen Mikrocontroller, der so aufgebaut und ausgelegt ist, daß er (1) den festgestellten Strom mit einem Sollwert vergleicht und ein impulsbreitenmoduliertes (PWM) Tastverhältnis zum Regeln des Motors ausgibt und (2) eine PWM-Tastverhältnisgrenze auf der Basis der gemessenen Spannung berechnet und das ausgegebene PWM-Tastverhältnis mit der PWM-Tastverhältnisgrenze vergleicht, so daß, wenn das ausgegebene PWM-Tastverhältnis über der PWM-Tastverhältnisgrenze liegt, das ausgegebene PWM-Tastverhältnis auf die PWM-Tastverhältnisgrenze eingestellt wird.
  8. System nach Anspruch 7, wobei der Motor ein Gleichstrommotor mit Bürsten ist.
  9. System nach Anspruch 7, wobei der Motor ein Gleichstrommotor ohne Bürsten ist.
  10. System nach Anspruch 7, weiterhin mit einem Tiefpaßfilter zum Filtern von Hochfrequenzrauschen und einem Verstärker zum Verbessern des festgestellten Stroms.
  11. System nach Anspruch 7, wobei der Mikrocontroller so aufgebaut und ausgelegt ist, daß er die gemessene Spannung mit einer Unterspannungsgrenze vergleicht und, falls die gemessene Spannung unter der Unterspannungsgrenze liegt, den Motor für eine bestimmte Zeitdauer anhält und dann erneut startet.
  12. Regelkreissystem für einen Gleichstrommotor, umfassend: einen Gleichstrommotor, Mittel zum Bestimmen eines Stroms des Motors, Mittel zum Vergleichen des bestimmten Stroms mit einem Sollwert und Ausgeben eines impulsbreitenmodulierten (PWM) Tastverhältnisses zum Regeln des Motors, Mittel zum Messen einer Spannung des Motors und Begrenzungsmittel zum Berechnen einer PWM-Tastverhältnisgrenze auf der Basis der gemessenen Spannung und zum Vergleichen des ausgegebenen PWM-Tastverhältnisses mit der PWM-Tastverhältnisgrenze, so daß, wenn das ausgegebene PWM-Tastverhältnis über der PWM-Tastverhältnisgrenze liegt, das ausgegebene PWM-Tastverhältnis auf die PWM-Tastverhältnisgrenze eingestellt wird.
  13. System nach Anspruch 12, wobei der Motor ein Gleichstrommotor mit Bürsten ist.
  14. System nach Anspruch 12, wobei der Motor ein Gleichstrommotor ohne Bürsten ist.
  15. System nach Anspruch 12, weiterhin mit Mitteln zum Filtern von Hochfrequenzrauschen und einem Verstärker zum Verbessern des festgestellten Stroms.
  16. System nach Anspruch 12, wobei das Begrenzungsmittel auch die gemessene Spannung mit einer Unterspannungsgrenze vergleicht und, falls die gemessene Spannung unter der Unterspannungsgrenze liegt, signalisiert, daß der Motor für eine bestimmte Zeitdauer angehalten und dann erneut gestartet werden soll.
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