DE19725267A1 - Process for protecting DC motors against thermal overload - Google Patents

Process for protecting DC motors against thermal overload

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Abstract

The invention relates to a method for protecting direct current motors from thermal overload. According to the invention, a temperature of the direct current motor is detected and compared with a predetermined maximum temperature. In the event that the maximum temperature is exceeded, the voltage supply of the direct current motor is interrupted. A rotor temperature (TR) of the direct current motor (10) is determined from an armature current (IA) and an ambient temperature (TM) of said direct current motor (10). Said rotor temperature (TR) is compared with a maximum allowable temperature (Tmax), and a supply voltage is timed by a control unit (26) in accordance with this comparison between the rotor temperature (TR) and the maximum admissible temperature (Tmax), said control unit providing the supply voltage to the direct current motor (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von Gleichstrommotoren vor thermischer Überlastung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merk­ malen.The invention relates to a method for protecting DC motors with thermal overload the mentioned in the preamble of claim 1 to paint.

Stand der TechnikState of the art

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.It is known that DC motors, for example as used in motor vehicles as servomotors will. These are made with one of a motor vehicle test battery provided supply voltage be drove. The DC motors are among others also in thermally critical areas of motor vehicles stuff, for example in the immediate vicinity of one Internal combustion engine of the motor vehicle, used. An electrical control system is an example for a variable valve lift of the internal combustion engine be called for throttle-free load control. Of the Valve lift is over one by one drive Witness leader influenceable load requirement, by Be actuate the accelerator pedal, controlled. If a like repeated, short-term load request leads to this  a strong thermal load on the servomotors of the control system.

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.It is known to protect DC motors from thermal overload a case temperature of Detect DC motors through a bimetal which depending on the exceeding of one casual housing temperature the DC motor switches off. The disadvantage here is that a Reactivation of the DC motor only after a delay time caused by a thermal There is inertia of the bimetal is possible. Wuh The servomotor cannot be activated during this time bar.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The inventive method with the in claim 1 In contrast, the features mentioned have the advantage that a control of the DC motor also in near its thermally critical area is. The fact that a rotor temperature of DC motor from an armature current and a Um ambient temperature of the DC motor determined the rotor temperature with a maximum permissible compared to the rotor temperature and over a a supply voltage of the DC motor be actuating control unit depending on the ver equal to the determined rotor temperature with the casual rotor temperature a clocked supply voltage is provided, it is advantageously possible Lich, a thermal inertia of the supply  exclude voltage influencing controller unit eat. In this way, in particular, the control of the DC motor, and thus the execution of Adjustment movements, in thermally critical temperature range of the DC motor possible without this is overloaded.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further advantageous embodiments of the invention result from the mentioned in the subclaims Characteristics.

Zeichnungendrawings

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:The invention is in one embodiment example with reference to the accompanying drawings purifies. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Schutz eines Gleichstrommotors vor thermischer Überlastung und Fig. 1 is a block diagram of a method for protecting a DC motor against thermal overload and

Fig. 2 einen Ermittlungsalgorithmus eines Ankerstroms des Gleichstrommotors. Fig. 2 shows a determination algorithm of an armature current of the DC motor.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

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.On the basis of the block diagram shown in Fig. 1, the implementation of the method for protecting DC motors from thermal overload is clarified ver. In the following embodiment, it is assumed that DC motors 10 of an actuating system for a variable valve lift on internal combustion engines of motor vehicles are to be protected against thermal overload. Of course, the method can also be used for any other DC motor.

Ziel des Verfahrens ist es, einen Ankerstrom IA zu einem Gleichstrommotor 10 zu beeinflussen. Als Ausgangsgröße des Verfahrens dient einerseits der Ankerstrom IA selber und eine Umgebungstemperatur TM des Gleichstrommotors 10.The aim of the method is to influence an armature current I A to a DC motor 10 . The armature current I A itself and an ambient temperature T M of the DC motor 10 serve as the output variable of the method.

Der Ankerstrom IA kann entweder unmittelbar gemessen werden oder dieser wird, wie anhand von Fig. 2 noch erläutert wird, berechnet. Die Umgebungstemperatur TM 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 TM des Gleichstrommotors 10 angenommen werden.The armature current I A can either be measured directly or, as will be explained with reference to FIG. 2, this is calculated. The ambient temperature T M can be taken from a cooling water temperature of the engine of the motor vehicle. Since the DC motor 10 for controlling the valves of the internal combustion engine is integrated with the cylinder head of the internal combustion engine, the cooling water temperature of the internal combustion engine can be assumed as the ambient temperature T M of the DC motor 10 .

Über einen Multiplizierer 12 wird das Quadrat IA 2 des Ankerstroms IA ermittelt. Aus dem Quadrat des Anker­ stroms IA und einem Ankerwiderstand RA läßt sich eine einem Rotor des Gleichstrommotors 10 zugeführte Wär­ meleistung Pzu als Ohmsche Verlustleistung des Anker­ stroms IA ermitteln. Über ein Subtrahierglied 14 wird von der dem Rotor zugeführten Wärmeleistung Pzu eine vom Rotor abgeführte Wärmeleistung Pab abgezogen. Hierzu wird über ein Subtrahierglied 16 die Umgebungstemperatur TM von einer Rotortemperatur TR abgezogen und die sich ergebende Differenz einem Funktionsglied 18 zugeführt, das aus dieser Differenz und einem thermischen Übergangswiderstand Rth zwi­ schen dem Rotor und einer Umgebung des Gleichstrom­ motors 10 die abgeführte Wärmeleistung Pab berechnet.The square I A 2 of the armature current I A is determined via a multiplier 12 . From the square of the armature current I A and an armature resistance R A , a rotor of the DC motor 10 supplied heat power P can be determined as the ohmic power loss of the armature current I A. Via a subtracter 14 P is peeled to a discharged heat from the rotor power P on the power supplied to the rotor heat. For this purpose, the ambient temperature T M is subtracted from a rotor temperature T R via a subtracting element 16 and the resulting difference is fed to a functional element 18 which, from this difference and a thermal contact resistance R th between the rotor and an environment of the DC motor 10, dissipates the heat output P from calculated.

Die Differenz zwischen zugeführter Wärmeenergie Pzu 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 Cth des Rotors die aktuelle Rotortemperatur TR ermittelt.The difference between the supplied heat energy P admitted and exhausted heat energy is a radio tion membered fed 20 that determines an integration remaining in the rotor heat energy, and from this capacity by division by a heat C of the rotor th the current rotor temperature T R determined.

Die Rotortemperatur TR wird einem Vergleicher 22 zu­ geführt, der die aktuelle Rotortemperatur TR mit ei­ ner maximal zulässigen Rotortemperatur Tmax 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 Tmax von der aktuellen Rotortempera­ tur TR überschritten wird oder nicht. Hierdurch er­ gibt sich ein Ausgangssignal 0 oder 1. Wird die maxi­ mal zulässige Temperatur Tmax von der Rotortemperatur TR 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 TR sinkt. The rotor temperature T R is fed to a comparator 22 which compares the current rotor temperature T R with a maximum permissible rotor temperature T max . An output of the comparator 22 is connected via a multiplier 24 to an output of a controller unit 26 , which provides a supply voltage for the DC motor 10 . The comparator 22 determines whether or not the permissible maximum temperature T max is exceeded by the current rotor temperature T R. This gives him an output signal 0 or 1. If the maximum permissible temperature T max of the rotor temperature T R is exceeded, the output of the controller unit 26 is switched to 0 via the multiplier 24 and thus a current flow to the DC motor 10 is interrupted. This immediately starts a cooling phase of the rotor, so that the rotor temperature T R drops.

Durch die Unterbrechung der Stromzufuhr wird einer­ seits der Ankerstrom IA beeinflußt, der als Ausgangs­ größe zur Ermittlung der Rotortemperatur TR dient. Andererseits verändert sich das Temperaturgefälle zwischen der Rotortemperatur TR und der Umgebungs­ temperatur TM, so daß sich die hieraus ergebende Differenz ebenfalls sofort in die Berechnung der aktuellen Rotortemperatur TR einfließt. Sinkt die Rotortemperatur TR unter die maximale Temperatur Tmax, 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.The interruption of the power supply affects the armature current I A , which serves as an output variable for determining the rotor temperature T R. On the other hand, the temperature gradient changes between the rotor temperature T R and the ambient temperature T M , so that the resulting difference is also immediately included in the calculation of the current rotor temperature T R. If the rotor temperature T R falls below the maximum temperature T max , the output of the controller unit 26 is switched back to 1 via the comparator 22 , so that the interruption between the controller unit 26 and the DC motor 10 is canceled and the supply voltage is present again and control of the servomotor 10 is possible.

Durch den erneut fließenden Ankerstrom IA durch den Rotor wird die Rotortemperatur TR des Gleichstrom­ motors 10 wieder erhöht, so daß bei Überschreiten der maximal zulässigen Temperatur Tmax der Ausgang der Reglereinheit 26 wieder auf 0 geschaltet wird. Dieser Schaltvorgang wiederholt sich fortlaufend, solange sich die Rotortemperatur TR in einem thermisch kriti­ schen Bereich des Gleichstrommotors 10, also in der Nähe der maximal zulässigen Temperatur Tmax befindet. Über die sich ergebende Rückkopplung des Ankerstroms IA auf die Berechnung der Rotortemperatur TR und die sich hieraus ergebende Unterbrechung der Spannungs­ versorgung des Gleichstrommotors 10, die wiederum den Ankerstrom IR beeinflußt, stellt sich die Schalt­ frequenz des Zu- bzw. Abschaltens der Spannungsver­ sorgung des Gleichstrommotors 10 selbsttätig ein. Due to the armature current I A flowing through the rotor again, the rotor temperature T R of the direct current motor 10 is increased again, so that when the maximum permissible temperature T max is exceeded, the output of the controller unit 26 is switched back to 0. This switching process is repeated continuously as long as the rotor temperature T R is in a thermally critical area of the DC motor 10 , that is to say in the vicinity of the maximum permissible temperature T max . About the resulting feedback of the armature current I A on the calculation of the rotor temperature T R and the resulting interruption of the voltage supply of the DC motor 10 , which in turn affects the armature current I R , the switching frequency of switching on and off of the voltage ver supply of the DC motor 10 automatically.

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 TR mit der maximal zulässigen Temperatur Tmax eingehen, ist die Anordnung zusätzlicher, ther­ misch träge reagierender Bauelemente nicht notwendig.This ensures, on the one hand, that an actuating movement by means of the DC motor 10 is still possible even in its thermal limit ranges, but that overloading is avoided by the clocked switching on and off. Due to the calculation of the parameters that are included in the comparison of the rotor temperature T R with the maximum permissible temperature T max , the arrangement of additional, thermally inert components is not necessary.

Anhand von Fig. 2 wird die Möglichkeit der Ermitt­ lung des Ankerstroms IA verdeutlicht. Der Ankerstrom IA kann entweder unmittelbar am Gleichstrommotor 10 gemessen werden, was jedoch zusätzliche Meßeinrich­ tungen erforderlich macht. Der Ankerstrom IA läßt sich jedoch nachbilden, wenn von der Ankerspannung UA, die als Versorgungsspannung bekannt ist, über ein Subtrahierglied 28 die in der Ankerwicklung induzier­ te Spannung Ui abgezogen wird. Die induzierte Span­ nung Ui 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.Referring to Fig. 2, the possibility of lung Determined is the armature current I A clear. The armature current I A can either be measured directly on the DC motor 10 , but this requires additional measuring devices. The armature current I A can, however, be simulated if the voltage U i induced in the armature winding is subtracted from the armature voltage U A , which is known as the supply voltage, via a subtractor 28 . The induced voltage U i voltage can be determined via a function element 30 from a speed d of the DC motor 10 and a current torque constant c. The speed d can be determined via a differentiator, not shown, from a rotation angle ω of the rotor of the DC motor 10 .

Die sich ergebende Differenz aus der Ankerspannung UA und der induzierten Spannung Ui wird einem weiteren Funktionsglied 32 zugeführt, wobei eine Division durch den Ankerwiderstand RA unter Berücksichtigung einer Zeitkonstante
The resulting difference between the armature voltage U A and the induced voltage U i is fed to a further functional element 32 , a division by the armature resistance R A taking into account a time constant

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 IA entsprechendes Signal an, das in die anhand von Fig. 1 gezeigte Ermittlung der Rotortemperatur TR ein­ fließen kann.where L is the inductance of the armature winding. This takes into account a delay caused by inductance L. At the output of the function element 32 there is a signal corresponding to the armature current I A , which can flow into the determination of the rotor temperature T R shown in FIG. 1.

Claims (5)

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 (TR) des Gleichstrommotors (10) aus einem Ankerstrom (IA) und einer Umgebungstempera­ tur (TM) des Gleichstrommotors (10) ermittelt wird, die Rotortemperatur (TR) mit einer maximal zulässigen Rotortemperatur (Tmax) verglichen wird und über eine, eine Versorgungsspannung des Gleichstrommotors (10) bereitstellende Reglereinheit (26) in Abhängigkeit des Vergleichs der Rotortemperatur (TR) mit der maximal zulässigen Rotortemperatur (Tmax) eine Taktung der Versorgungsspannung erfolgt.1. A method for protecting direct current motors against thermal overload, wherein a temperature of the direct current motor is detected and the detected temperature is compared with a predeterminable maximum temperature and if the maximum temperature is exceeded an interruption of a voltage supply to the direct current motor is carried out, characterized in that a rotor temperature (T R ) of the DC motor ( 10 ) from an armature current (I A ) and an ambient temperature (T M ) of the DC motor ( 10 ) is determined, the rotor temperature (T R ) is compared with a maximum permissible rotor temperature (T max ) and a , A supply voltage of the DC motor ( 10 ) providing controller unit ( 26 ) depending on the comparison of the rotor temperature (T R ) with the maximum permissible rotor temperature (T max ), the supply voltage is clocked. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerstrom (IA) am Gleichstrommotor (10) ge­ messen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the armature current (I A ) on the DC motor ( 10 ) is measured ge. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerstrom (IA) berechnet wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that the armature current (I A ) is calculated. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotortemperatur (TR) aus einer Differenz einer dem Rotor zugeführten Wär­ memenge (Pzu) und einer vom Rotor abgeführten Wärmemenge (Pab), und einer Wärmkapazität (Cth) des Rotors ermittelt wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the rotor temperature (T R ) from a difference between a heat quantity supplied to the rotor (P zu ) and a heat quantity discharged from the rotor (P ab ), and a heat capacity (C th ) of the rotor is determined. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeführte Wärmemenge (Pab) aus einer Differenz der aktuellen Rotor­ temperatur (TR) und einer Umgebungstemperatur (TM) und einem thermischen Übergangswiderstand (Rth) zwischen dem Rotor und der Umgebung des Gleichstrom­ motors (10) ermittelt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the amount of heat dissipated (P ab ) from a difference between the current rotor temperature (T R ) and an ambient temperature (T M ) and a thermal contact resistance (R th ) between the rotor and the environment of the DC motor ( 10 ) is determined.
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