DE19725267A1

DE19725267A1 - Verfahren zum Schutz von Gleichstrommotoren vor thermischer Überlastung

Info

Publication number: DE19725267A1
Application number: DE1997125267
Authority: DE
Inventors: Udo Dr Sieber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1998-12-24
Also published as: WO1998058433A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von Gleichstrommotoren vor thermischer Überlastung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merk malen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß Gleichstrommotoren, beispiels weise in Kraftfahrzeugen, als Stellmotoren eingesetzt werden. Diese werden mit einer von einer Kraftfahr zeugbatterie bereitgestellten Versorgungsspannung be trieben. Die Gleichstrommotoren werden unter anderem auch in thermisch kritischen Bereichen des Kraftfahr zeugs, beispielsweise in unmittelbarer Nähe einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, eingesetzt. Als Beispiel soll hier ein elektrisches Stellsystem für einen variablen Ventilhub der Brennkraftmaschine zur drosselfreien Laststeuerung genannt sein. Der Ventilhub wird hierbei über eine durch einen Fahr zeugführer beeinflußbare Lastanforderung, durch Be tätigen des Gaspedals, gesteuert. Erfolgt eine wie derholte, kurzfristige Lastanforderung, führt dies zu einer starken thermischen Belastung der Stellmotoren des Stellsystems.

Bekannt ist, zum Schutz von Gleichstrommotoren vor thermischer Überlastung eine Gehäusetemperatur der Gleichstrommotoren über ein Bimetall zu erfassen, welches in Abhängigkeit der Überschreitung einer zu lässigen Gehäusetemperatur den Gleichstrommotor stromlos schaltet. Hierbei ist nachteilig, daß eine Wiedereinschaltung des Gleichstrommotors erst nach einer Verzögerungszeit, die durch eine thermische Trägheit des Bimetalls gegeben ist, möglich ist. Wäh rend dieser Zeit ist der Stellmotor nicht ansteuer bar.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß eine Ansteuerung des Gleichstrommotors auch in der Nähe von dessen thermisch kritischen Bereich mög lich ist. Dadurch, daß eine Rotortemperatur des Gleichstrommotors aus einem Ankerstrom und einer Um gebungstemperatur des Gleichstrommotors ermittelt wird, die Rotortemperatur mit einer maximal zulässi gen Rotortemperatur verglichen wird und über einen, eine Versorgungsspannung des Gleichstrommotors be reitstellende Reglereinheit in Abhängigkeit des Ver gleichs der ermittelten Rotortemperatur mit der zu lässigen Rotortemperatur eine getaktete Versorgungs spannung bereitgestellt wird, ist es vorteilhaft mög lich, eine thermische Trägheit einer die Versorgungs spannung beeinflussenden Reglereinheit auszuschlie ßen. Hierdurch wird insbesondere auch die Ansteuerung des Gleichstrommotors, und somit die Ausführung von Stellbewegungen, im thermisch kritischen Temperatur bereich des Gleichstrommotors möglich, ohne daß dieser überlastet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Schutz eines Gleichstrommotors vor thermischer Überlastung und

Fig. 2 einen Ermittlungsalgorithmus eines Ankerstroms des Gleichstrommotors.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Anhand des in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbildes wird die Durchführung des Verfahrens zum Schutz von Gleichstrommotoren vor thermischer Überlastung ver deutlicht. Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß Gleichstrommotoren 10 eines Stellsystems für einen variablen Ventilhub an Brenn kraftmaschinen von Kraftfahrzeugen vor thermischer Überlastung geschützt werden sollen. Selbstverständ lich läßt sich das Verfahren auch für jeden anderen Gleichstrommotor anwenden.

Ziel des Verfahrens ist es, einen Ankerstrom I_A zu einem Gleichstrommotor 10 zu beeinflussen. Als Ausgangsgröße des Verfahrens dient einerseits der Ankerstrom I_A selber und eine Umgebungstemperatur T_M des Gleichstrommotors 10.

Der Ankerstrom I_A kann entweder unmittelbar gemessen werden oder dieser wird, wie anhand von Fig. 2 noch erläutert wird, berechnet. Die Umgebungstemperatur T_M kann aus einer Kühlwassertemperatur der Brennkraft maschine des Kraftfahrzeugs entnommen werden. Da der Gleichstrommotor 10 zur Ansteuerung der Ventile der Brennkraftmaschine mit dem Zylinderkopf der Brenn kraftmaschine integriert ist, kann die Kühlwasser temperatur der Brennkraftmaschine als Umgebungs temperatur T_M des Gleichstrommotors 10 angenommen werden.

Über einen Multiplizierer 12 wird das Quadrat I_A ² des Ankerstroms I_A ermittelt. Aus dem Quadrat des Anker stroms I_A und einem Ankerwiderstand R_A läßt sich eine einem Rotor des Gleichstrommotors 10 zugeführte Wär meleistung P_zu als Ohmsche Verlustleistung des Anker stroms I_A ermitteln. Über ein Subtrahierglied 14 wird von der dem Rotor zugeführten Wärmeleistung P_zu eine vom Rotor abgeführte Wärmeleistung P_ab abgezogen. Hierzu wird über ein Subtrahierglied 16 die Umgebungstemperatur T_M von einer Rotortemperatur T_R abgezogen und die sich ergebende Differenz einem Funktionsglied 18 zugeführt, das aus dieser Differenz und einem thermischen Übergangswiderstand R_th zwi schen dem Rotor und einer Umgebung des Gleichstrom motors 10 die abgeführte Wärmeleistung P_ab berechnet.

Die Differenz zwischen zugeführter Wärmeenergie P_zu und abgeführter Wärmeenergie gab wird einem Funk tionsglied 20 zugeführt, das über eine Integration die in dem Rotor verbleibende Wärmeenergie ermittelt und aus dieser durch Division mit einer Wärme kapazität C_th des Rotors die aktuelle Rotortemperatur T_R ermittelt.

Die Rotortemperatur T_R wird einem Vergleicher 22 zu geführt, der die aktuelle Rotortemperatur T_R mit ei ner maximal zulässigen Rotortemperatur T_max ver gleicht. Ein Ausgang des Vergleichers 22 ist über einen Multiplizierer 24 mit einem Ausgang einer Reglereinheit 26 verbunden, die eine Versorgungs spannung für den Gleichstrommotor 10 bereitstellt. Der Vergleicher 22 ermittelt, ob die zulässige maxi male Temperatur T_max von der aktuellen Rotortempera tur T_R überschritten wird oder nicht. Hierdurch er gibt sich ein Ausgangssignal 0 oder 1. Wird die maxi mal zulässige Temperatur T_max von der Rotortemperatur T_R überschritten, wird über den Multiplizierer 24 der Ausgang der Reglereinheit 26 auf 0 geschaltet und somit ein Stromfluß zum Gleichstrommotor 10 unter brochen. Hierdurch setzt sofort eine Abkühlphase des Rotors ein, so daß die Rotortemperatur T_R sinkt.

Durch die Unterbrechung der Stromzufuhr wird einer seits der Ankerstrom I_A beeinflußt, der als Ausgangs größe zur Ermittlung der Rotortemperatur T_R dient. Andererseits verändert sich das Temperaturgefälle zwischen der Rotortemperatur T_R und der Umgebungs temperatur T_M, so daß sich die hieraus ergebende Differenz ebenfalls sofort in die Berechnung der aktuellen Rotortemperatur T_R einfließt. Sinkt die Rotortemperatur T_R unter die maximale Temperatur T_max, wird über den Vergleicher 22 der Ausgang der Reglereinheit 26 wieder auf 1 geschaltet, so daß die Unterbrechung zwischen der Reglereinheit 26 und dem Gleichstrommotor 10 aufgehoben wird und die Versor gungsspannung wieder anliegt und eine Ansteuerung des Stellmotors 10 möglich ist.

Durch den erneut fließenden Ankerstrom I_A durch den Rotor wird die Rotortemperatur T_R des Gleichstrom motors 10 wieder erhöht, so daß bei Überschreiten der maximal zulässigen Temperatur T_max der Ausgang der Reglereinheit 26 wieder auf 0 geschaltet wird. Dieser Schaltvorgang wiederholt sich fortlaufend, solange sich die Rotortemperatur T_R in einem thermisch kriti schen Bereich des Gleichstrommotors 10, also in der Nähe der maximal zulässigen Temperatur T_max befindet. Über die sich ergebende Rückkopplung des Ankerstroms I_A auf die Berechnung der Rotortemperatur T_R und die sich hieraus ergebende Unterbrechung der Spannungs versorgung des Gleichstrommotors 10, die wiederum den Ankerstrom I_R beeinflußt, stellt sich die Schalt frequenz des Zu- bzw. Abschaltens der Spannungsver sorgung des Gleichstrommotors 10 selbsttätig ein.

Hierdurch wird einerseits sichergestellt, daß eine Stellbewegung mittels des Gleichstrommotors 10 auch in dessen thermischen Grenzbereichen noch möglich ist, eine Überlastung jedoch durch das getaktete Ein- bzw. Ausschalten vermieden wird. Aufgrund der Berech nung der Parameter, die in den Vergleich der Rotor temperatur T_R mit der maximal zulässigen Temperatur T_max eingehen, ist die Anordnung zusätzlicher, ther misch träge reagierender Bauelemente nicht notwendig.

Anhand von Fig. 2 wird die Möglichkeit der Ermitt lung des Ankerstroms I_A verdeutlicht. Der Ankerstrom I_A kann entweder unmittelbar am Gleichstrommotor 10 gemessen werden, was jedoch zusätzliche Meßeinrich tungen erforderlich macht. Der Ankerstrom I_A läßt sich jedoch nachbilden, wenn von der Ankerspannung U_A, die als Versorgungsspannung bekannt ist, über ein Subtrahierglied 28 die in der Ankerwicklung induzier te Spannung U_i abgezogen wird. Die induzierte Span nung U_i läßt sich über ein Funktionsglied 30 aus einer Drehzahl d des Gleichstrommotors 10 und einer Strom-Momentkonstante c ermitteln. Die Drehzahl d kann über ein nicht dargestelltes Differenzierglied aus einem Drehwinkel ω des Rotors des Gleichstrom motors 10 ermittelt werden.

Die sich ergebende Differenz aus der Ankerspannung U_A und der induzierten Spannung U_i wird einem weiteren Funktionsglied 32 zugeführt, wobei eine Division durch den Ankerwiderstand R_A unter Berücksichtigung einer Zeitkonstante

wobei L die Induktivität der Ankerwicklung ist, erfolgt. Hierdurch wird eine durch die Induktivität L verursachte Verzögerung berücksichtigt. Am Ausgang des Funktionsgliedes 32 liegt ein dem Ankerstrom I_A entsprechendes Signal an, das in die anhand von Fig. 1 gezeigte Ermittlung der Rotortemperatur T_R ein fließen kann.

Claims

1. Verfahren zum Schutz von Gleichstrommotoren vor thermischer Überlastung, wobei eine Temperatur des Gleichstrommotors erfaßt und die erfaßte Temperatur mit einer vorgebbaren maximalen Temperatur verglichen wird und bei Überschreiten der maximalen Temperatur eine Unterbrechung einer Spannungsversorgung des Gleichstrommotor erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rotortemperatur (T_R) des Gleichstrommotors (10) aus einem Ankerstrom (I_A) und einer Umgebungstempera tur (T_M) des Gleichstrommotors (10) ermittelt wird, die Rotortemperatur (T_R) mit einer maximal zulässigen Rotortemperatur (T_max) verglichen wird und über eine, eine Versorgungsspannung des Gleichstrommotors (10) bereitstellende Reglereinheit (26) in Abhängigkeit des Vergleichs der Rotortemperatur (T_R) mit der maximal zulässigen Rotortemperatur (T_max) eine Taktung der Versorgungsspannung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerstrom (I_A) am Gleichstrommotor (10) ge messen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerstrom (I_A) berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotortemperatur (T_R) aus einer Differenz einer dem Rotor zugeführten Wär memenge (P_zu) und einer vom Rotor abgeführten Wärmemenge (P_ab), und einer Wärmkapazität (C_th) des Rotors ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeführte Wärmemenge (P_ab) aus einer Differenz der aktuellen Rotor temperatur (T_R) und einer Umgebungstemperatur (T_M) und einem thermischen Übergangswiderstand (R_th) zwischen dem Rotor und der Umgebung des Gleichstrom motors (10) ermittelt wird.