DE19630027A1

DE19630027A1 - Anordnung zur Erfassung der Temperatur des Ankers eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE19630027A1
Application number: DE19630027A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Dr Lochmahr; Volker Aab; Gerhard Knecht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 1998-01-29
Also published as: EP0852710A1; JPH11514094A; US6111330A; WO1998004893A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Erfassung der Temperatur des Ankers eines Gleichstrommotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einer aus der US-PS 4 307 325 bekannten Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor, der insbesondere als Antriebsmotor in Werkzeugen eingesetzt ist, wird der Motor gegen Übertemperatur dadurch geschützt, daß die Motortemperatur anhand einer Berechnung geschätzt wird. Die Berechnung berücksichtigt dabei sowohl die Drehzahl als auch den Motorstrom bzw. den Stromleitflußwinkel einer Phasenabschnittssteuerung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung geht demgegenüber einen vom Prinzip her anderen, sehr vorteilhaften Weg. Zur Erfassung der Temperatur des Ankers eines Gleichstrommotors wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 die Temperatur in indirekter Weise aus dem temperaturabhängigen Ankerwiderstand erkannt, wobei der Ankerwiderstand als Quotient der aktuell an den Klemmen des Motors anstehenden und meßbaren Spannung und dem Blockierstrom des Ankers ermittelt wird, und in Relation zur jeweiligen Temperatur gesetzt wird.

Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Anordnung zur Erfassung der Temperatur des Ankers eines Gleichstrommotors möglich.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird entsprechend einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung der Blockierstrom durch Extrapolation des zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessenen Ankerstromes ermittelt.

Eine für die einfache und zuverlässige Realisierung der Erfindung besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der im Anker fließende Strom über einen Shunt-Widerstand gemessen und gegebenenfalls verstärkt und mittels eines Analog-Digital-Wand lers zu einem Stromsignal digitalisiert wird.

In weiterer vorteilhafter und besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird das aus dem im Anker fließenden Strom ermittelte Stromsignal mit Hilfe eines Integrators, der von einem Mikrokontroller steuerbar ist, mit anpaßbaren, berechneten Integrationszeiten gemittelt.

Gemäß einer sehr zweckmäßigen Ausführungsform dieser Ausgestaltung der Erfindung wird das aus dem im Anker fließenden Strom ermittelte Stromsignal über mehrere Kommutierungsperioden aufintegriert.

In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Integration des aus dem im Anker fließenden Strom ermittelten Stromsignals bei Überschreiten eines Schwellwertes unterbrochen, der ermittelte Wert digitalisiert und gespeichert wird, die Integration erneut begonnen wird und dieser Vorgang solange fortgesetzt wird, bis die gesamte angepaßte und vorgesehene Integrationszeit abgelaufen ist.

Entsprechend einer vorteilhaften und realistischen Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist sie zur indirekten Ermittlung der Drehzahl des Motors und/oder kritischer oder interessierender Änderungen der Drehzahl des Motors sehr zweckmäßig einsetzbar.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Anwendungsmöglichkeit, ist die Drehzahl, bei Beachtung einer motortypischen Proportionalitätskonstanten, proportional der im Anker induzierten Spannung, gemäß der Gleichung N = κ · U_ind, und die im Anker induzierte Spannung wird dabei als Differenz aus der an den Motorklemmen anstehenden Spannung und dem Produkt aus Ankerstrom und Ankerwiderstand ermittelt.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf des Motorstroms zusammen mit überlagerten Kommutierungsschwankungen und

Fig. 2 schematisch ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Gemäß der Erfindung wird die im Gleichstrommotor bzw. im Anker des Gleichstrommotors auftretende Temperatur auf indirekte Weise ermittelt. Dabei wird die Temperatur in indirekter Weise aus dem temperaturabhängigen Ankerwiderstand R_A erkannt. Der Ankerwiderstand R_A selbst wird dabei als Quotient der aktuell an den Klemmen des Motors anstehenden und meßbaren Spannung U_kl, die bei Anschluß an eine Batterie, insbesondere Kraftfahrzeugbatterie der Batteriespannung U_bat entspricht, und dem Blockierstrom I_block des Ankers ermittelt und in Relation zur jeweiligen Temperatur gesetzt. In der nachfolgenden Beschreibung ist auf die allgemein bekannte Zuordnung von gemessenem Widerstand und zugehöriger Temperatur nicht näher eingegangen.

In Fig. 1 ist der typische Verlauf des Motorstroms I zusammen mit überlagerten Kommutierungsschwankungen über der Zeitachse t aufgetragen. Der Ankerstrom wird durch die Ankerinduktivität begrenzt. Daher fließt zum Einschaltzeitpunkt nicht der Blockierstrom I_block, sondern es ergibt sich ein exponentiell ansteigender Ankerstrom mit der elektrischen Zeitkonstanten τ_elektrisch, die wesentlich kleiner ist als τ_mech. Die Anlaufstromspitze erreicht nicht den vollen Blockierstrom I_block, da sich der Anker des Motors bereits zu drehen beginnt, während die elektrische Zeitkonstante τ_elektrisch verstreicht. Das Verhältnis von Blockierstrom zu Anlaufstromspitze hängt nur von den beiden Zeitkonstanten τ_mech und τ_elektrisch ab, und ist damit konstant.

Der Ankerwiderstand R_A wird zu jedem gewünschten und zweckmäßig erscheinenden Zeitpunkt und zu Vergleichszwecken jeweils insbesondere zu Beginn jeden Motorstarts aus der am Motor anliegenden Klemmenspannung U_kl bzw. U_bat, wenn als Spannungsquelle eine Batterie verwendet wird, und dem Blockierstrom I_block, jeweils zum Zeitpunkt t₀ nach dem Start, ermittelt nach der Beziehung:

R_A = U_kl/I_block.

Wie in der Darstellung des Motorstroms in Fig. 1 gezeigt, sind dem eigentlich in einer Exponentialform verlaufenden Motorstrom I_A, bzw. dem daraus resultierenden Motorstromsignal, Kommutierungsschwankungen überlagert. Die Amplitude dieser sogenannten Ripples liegt bei manchen Anwendungen in einer Größenordnung der interessierenden Signaländerungen. Aus diesem Grund müssen diese Kommutierungsripples in solchen Fällen eliminiert werden. Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dazu das Stromsignal über einen Zeitraum einer geeigneten Anzahl von Kommutierungsripples gemittelt.

In dem in Fig. 2 dargestellten, schematischen Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung ist mit 1 ein Gleichstrommotor dargestellt, der über ein Doppelrelais 2 entweder an die Spannung U_Bat einer nicht dargestellten Kraftfahrzeugbatterie, die im dargestellten Beispiel die an den Klemmen des Motors anstehende Klemmenspannung U_kl darstellt, oder zur Messung des Motorstroms an einen Meßwiderstand 3, einen Shunt, anschließbar ist. Die eine Seite des Shunts 3 ist an Erdpotential GND gelegt, während der andere Anschluß über einen Widerstand 4 auf den invertierenden Eingang - eines Operationsverstärkers 5 geführt ist. Somit wird der gemessene Ankerstromwert des Motors 1, welcher am Shunt 3 abgegriffen und in ein Stromsignal V1 gewandelt ist, verstärkt. Der Ausgang 6 des Operationsverstärkers 5 ist auf dessen invertierenden Eingang - über einen Kondensator 7 rückgekoppelt. Somit bildet der Operationsverstärker 5 zusammen mit dem Kondensator 7 einen Integrator. Am nichtinvertierenden Eingang + des Operationsverstärkers 5 liegt eine Referenzspannung U_ref an, welche so gewählt ist, daß sie immer größer ist als die maximale Amplitude des Stromsignals V1, die dem Blockierstrom I_Block entspricht. Der Kondensator 7 ist durch einen Transistor 8, insbesondere in Form eines MOSFET, überbrückbar. Der Transistor 8 wird über einen Widerstand 9 vom Eingang 10 her mit einem Löschimpuls gesteuert. Dadurch wird der Kondensator 7 bei Auftreten des Löschimpulses gesteuert kurzgeschlossen und entladen. Die Anfangsbedingung für eine Integration wird neu bestimmt und die Integration kann von neuem beginnen.

Das am Ausgang 6 des Operationsverstärkers 5 anstehende integrierte und verstärkte Stromsignal V1 wird einem nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler sowie einem ebenfalls nicht dargestellten Mikrokontroller zur Auswertung zugeführt. Der Mikrokontroller generiert beispielsweise den am Eingang 10 zugeführten Löschimpuls zur Steuerung der Integration. Bei jedem zugeführten Löschimpuls wird der Kondensator 7 entladen und damit kann sich unmittelbar anschließend die Spannung am Ausgang 6 und am Kondensator 7 wieder aufbauen. Die Integration wird solange durchgeführt, wie es vom Mikrokontroller vorgegeben ist. Dabei wird durch Unterbrechung der Integration bei Erreichen eines bestimmten Spannungswertes und Aufaddieren der jeweiligen digitalisierten aufgelaufenen Werte, bis zum erreichten Spannungswert des Integrators am Ende der abgelaufenen vorgegebenen Integrationszeit.

Generell ist festzuhalten, daß die Integrationszeitkonstante des Integrators, gebildet im Kern aus Operationsverstärker 5 und Kondensator 7, so eingestellt wird, daß bei der Leerlaufdrehzahl des Motors 1 der Aussteuerbereich des Integrators fast ausgenutzt wird. Bei niedrigerer Drehzahl wird die Integrationszeitkonstante größer und der Ankerstrom und damit das zu integrierende Spannungssignal ebenfalls. Um die damit verbundene Übersteuerung zu vermeiden, wird wie bereits oben erläutert, die Integration bei Erreichen eines bestimmten Schwellwertes unterbrochen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Spannungswert mittels des Analog-Digital-Wandlers digitalisiert und die abgelaufene Integrationszeit wird von der an die Drehzahl angepaßten gesamten Integrationszeit subtrahiert. Nunmehr wird der Kondensator 7 mittels des über den Eingang 10 vom Mikrokontroller gelieferten Löschimpulses über den für ca. 1 ms leitend geschalteten Transistor 8 entladen und die Integration wird erneut gestartet. Diese Vorgehensweise wird solange fortgesetzt, bis die gesamte Integrationszeit abgelaufen ist, wobei die letzte Integration, wie bereits oben dargestellt, nicht durch Überschreiten eines Spannungspegels am Integratorausgang, sondern durch die abgelaufene Integrationszeit abgebrochen wird.

Die vorstehend beschriebene Anordnung eignet sich gemäß einer besonders vorteilhaften Anwendung zur indirekten Ermittlung der aktuellen Drehzahl N des Motors 1. Es können damit auch zusätzlich oder alternativ kritische oder sonstwie interessierende Änderungen der Drehzahl N des Motors 1 indirekt ermittelt werden. Ein Maß für die Drehzahl N ist die im Anker induzierte Spannung U_ind. Dieser Spannung U_ind ist, bei Beachtung einer empirisch für jeden Motortyp vorab meßtechnisch leicht ermittelbaren Proportionalitätskonstanten κ, die Drehzahl N proportional. Es gilt:

N = κ · U_ind und
U_ind = U_kl - (R_A · I_A).

Dieses beschriebene Verfahren bietet die Möglichkeit, gesteuert vom Mikrokontroller, über eine feste Anzahl von Kommutierungsripples zu mitteln. Außerdem kann der Wertebereich eines 8-Bit-Analog-Digital-Wandlers vergrößert werden, indem durch die Integration mehrmals unterbrochen wird und die einzelnen Integrationsergebnisse addiert werden. Dies ist besonders deshalb so wertvoll und vorteilhaft, weil der Dynamikbereich der Messung wegen der möglichen Schwankungen des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges zwischen 9 und 15 V sowie der erheblichen Geschwindigkeitsvariationen des Motors sehr groß ist.

Für Ablauf und Steuerung des Meß- und Auswerteverfahrens wird in vorteilhafter Weise ein Mikrokontroller verwendet. Die Ankerstrommeßwerte werden zweckmäßigerweise in einem Speicher, der bevorzugt ein Ringpufferspeicher ist, gespeichert. Mit dem aktuellen Meßwert wird der älteste Meßwert im Ringpuffer überschrieben. Die Mittelung erfolgt durch Summation aller Meßwerte im Ringpuffer und Division der erhaltenen Summe durch die Anzahl der Meßwerte. Zu von dem Mikrokontroller vorgegebenen Zeitpunkten werden der so gemittelte Strom und die aktuelle Bordnetzspannung gemessen.

Aus den gemessenen Werten werden, insbesondere mit Hilfe des zweckmäßig verwendeten Mikrokontrollers, die Temperaturwerte des Motors bzw. des Ankers des Motors aus dessen ermitteltem temperaturabhängigen Ankerwiderstand R_A ermittelt. Weiterhin werden gemäß der besonderen Verwendungsform der Erfindung in vorteilhafter Weise aus den gemessenen Strom- und Spannungswerten die im Anker induzierte Spannung U_ind als Differenz aus der an den Motorklemmen anstehenden Spannung U_bat und dem Produkt aus Ankerstrom I_A und Ankerwiderstand R_A ermittelt, sowie daraus die aktuelle Drehzahl bestimmt und/oder die eingetretene Drehzahlveränderung festgestellt.

Somit stellt die Erfindung sowohl für die indirekte Erfassung der Temperatur eines Gleichstrommotors als auch für die indirekte Ermittlung der Drehzahl des Motors eine vorteilhafte Lösung zur Verfügung.

Claims

1. Anordnung zur Erfassung der Temperatur des Ankers eines Gleichstrommotors, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in indirekter Weise aus dem temperaturabhängigen Ankerwiderstand (R_A) erkannt wird, wobei der Ankerwiderstand (R_A) als Quotient der aktuell an den Klemmen des Motors anstehenden und meßbaren Spannung (U_bat) und dem Blockierstrom (I_block) des Ankers ermittelt wird, und in Relation zur jeweiligen Temperatur setzbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blockierstrom (I_block) durch Extrapolation des zu einem bestimmten Zeitpunkt (t₀) gemessenen Ankerstromes (I_A) ermittelt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Anker fließende Strom (I_A) über einen Shunt-Widerstand (3) gemessen und gegebenenfalls verstärkt (5) und mittels eines Analog-Digital-Wandlers zu einem Stromsignal digitalisiert wird.

4. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem im Anker fließenden Strom (I_A) ermittelte Stromsignal (V1) mit Hilfe eines Integrators (5, 7), der von einem Mikrokontroller steuerbar ist, mit anpaßbaren, berechneten Integrationszeiten gemittelt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem im Anker fließenden Strom (I_A) ermittelte Stromsignal (V1) über mehrere Kommutierungsperioden aufintegriert wird.

6. Anordnung nach einem Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration des aus dem im Anker fließenden Strom (I_A) ermittelten Stromsignals (V1) bei Überschreiten eines Schwellwertes unterbrochen, der ermittelte Wert digitalisiert und gespeichert wird, die Integration erneut begonnen wird und dieser Vorgang solange fortgesetzt wird, bis die gesamte angepaßte und vorgesehene Integrationszeit abgelaufen ist.

7. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur indirekten Ermittlung der Drehzahl (N) des Motors (1) und/oder kritischer oder interessierender Änderungen der Drehzahl (N) des Motors (1) einsetzbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl (N) proportional der im Anker induzierten Spannung (U_ind), bei Beachtung einer motortypischen Proportionalitätskonstanten (κ), ist, gemäß der Gleichung N = κ · U_ind, und die im Anker induzierte Spannung (U_ind) als Differenz aus der an den Motorklemmen anstehenden Spannung (U_bat) und dem Produkt aus Ankerstrom (I_A) und Ankerwiderstand (R_A) ermittelt wird.