DE19816837A1

DE19816837A1 - Elektromotorischer Antrieb

Info

Publication number: DE19816837A1
Application number: DE19816837A
Authority: DE
Inventors: Rolf Mack
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 1999-03-25
Also published as: KR100559066B1; KR20000068822A; DE59812634D1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen An trieb, mit einem über eine Endstufe ansteuerbaren Elektromotor.

Stand der Technik

Elektromotorische Antriebe der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese werden beispielsweise in Kraft fahrzeugen als Stellmotoren eingesetzt. Hierbei wer den diese mit einer von einer Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellten Versorgungsspannung betrieben. Die als Gleichstrommotoren ausgebildeten Elektromotoren können unter anderem in thermisch kritischen Berei chen des Kraftfahrzeuges, beispielsweise in unmittel barer Nähe einer Brennkraftmaschine, eingesetzt wer den. Ferner ist bekannt, elektromotorische Antriebe mit einem Überlastschutz zu versehen, der die Elek tromotoren vor irreparabler thermischer Beschädigung, beispielsweise bei plötzlich auftretender Schwergän gigkeit, schützen soll.

Bekannt ist, zum Schutz von Elektromotoren vor ther mischer Überlastung eine Gehäusetemperatur und/oder eine Ankerwicklungstemperatur des Gleichstrommotors über einen Temperatursensor oder über ein Bimetall zu erfassen. In Abhängigkeit der Überschreitung einer zulässigen Temperatur wird der Elektromotor stromlos geschaltet.

Ferner ist bekannt, elektrische Verbraucher, bei spielsweise Motorendstufen für Gleichstrommotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem pulsweiten-modulierten Signal anzusteuern. Entsprechend eines Tastverhaltens des pulsweiten-modulierten Signales erfolgt eine Ver bindung des elektrischen Verbrauchers mit einer Span nungsquelle beziehungsweise eine Trennung von der Spannungsquelle.

Aus der WO 94/27349 ist ein elektromotorischer An trieb bekannt, bei dem eine Motorendstufe mit einer Ansteuerschaltung verbunden ist, und die Ansteuer schaltung ein Überlastsignal in Abhängigkeit einer Temperatur des Elektromotors generiert. Eine Tempera tur des Elektromotors kann hierbei aus einer Verlust leistung oder einer zu dieser proportionalen Größe anhand gemessener Motordaten während der Einschalt dauer des Elektromotors berechnet und integriert wer den, wobei zur Übermittlung des Überlastsignales der Integrationswert mit einem vorgebbaren Schwellwert verglichen wird. Hierbei ist nachteilig, daß aufgrund der erforderlichen Messung von Motordaten während der Einschaltdauer des Elektromotors ein Meßaufwand be trieben werden muß, der darüber hinaus fehlerbehaftet ist, so daß ein exaktes Überlastsignal nicht ermit telbar ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße elektromotorische Antrieb mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demge genüber den Vorteil, daß in einfacher Weise ein exak tes Überlastsignal zur Abschaltung des elektromotori schen Antriebes bereitgestellt werden kann. Dadurch, daß die Motortemperatur des Elektromotors aus einem Pulsweiten-Modulations-Signal der Ansteuerschaltung gewonnen wird, kann auf die Messung von Motordaten während des Betriebes des Elektromotors verzichtet werden. Der Schaltungsaufwand ist damit erheblich vereinfacht. Mit der Messung von Motordaten während des Betriebes verbundene Fehlerquellen werden eben falls umgangen, so daß das Signal mit hoher Genauig keit generierbar ist. Eine Ermittlung der Motortempe ratur erfolgt ausschließlich aus bereits vorhandenen Signalen, nämlich dem Pulsweiten-Modulations-Signal zur Ansteuerung des Elektromotors. Irgendwelche zu sätzlichen direkten Messungen von Betriebsparametern des Motors, beispielsweise eines Stromes oder einer Temperatur, sind nicht erforderlich.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die ein Blockschaltbild eines elektromotorischen Antriebes zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild einen elektro motorischen Antrieb. Dieser umfaßt einen Gleichstrom motor 10, der beispielsweise als Stellmotor in einem Kraftfahrzeug wirkt. Der Gleichstrommotor 10 ist an eine Endstufe 12 angeschlossen, die Schaltmittel zum Verbinden des Gleichstrommotors 10 mit einer Energie quelle 14 aufweist. In Kraftfahrzeugen ist die Ener giequelle beispielsweise eine Kraftfahrzeugbatterie. Der Schaltstufe 12 wird ein Steuersignal 16 zuge führt, das von einer Ansteuerschaltung 18 bereitge stellt wird. Mittels der Ansteuerschaltung 18 erfolgt eine pulsweiten-modulierte Ansteuerung der Schalt stufe 12, so daß in bekannter Weise eine getaktete Betriebsweise des Gleichstrommotors 10 möglich ist.

Während des bestimmungsgemäßen Einsatzes des Gleich strommotors 10 kann dieser, beispielsweise durch Schwergängigkeit oder Vorhandensein eines Hindernis ses, in einem Stellweg eines mit dem Gleichstrommotor 10 bewegbaren Stellgliedes mechanisch und thermisch überlastet werden, so daß eine Temperaturüberwachung des Gleichstrommotors 10 zum rechtzeitigen Generieren eines Überlastsignales erforderlich ist. Hierzu ist in der Ansteuerschaltung 18 eine Überlaststufe 20 integriert.

Die Ermittlung einer Temperatur des Gleichstrommotors 10 mittels der Überlaststufe 20 erfolgt anhand eines Temperaturmodells folgendermaßen:
Bekanntermaßen hängt die Temperatur des Gleichstrom motors 10 von einer zugeführten und einer abgegebenen Leistung ab. Es ergibt sich

P_T = P_zu - P_ab,

wobei P_T die Temperaturleistung des Gleichstrom motors, P_zu die zugeführte und P_ab die abgeführte Leistung ist. Die abgeführte Leistung P_ab kann bei vorgegebenem bekannten Aufbau des Gleichstrommotors, beispielsweise anhand eines Dauerlauftestes, ermit telt werden und als konstant angenommen werden.

Die zugeführte Leistung ergibt sich aus der Beziehung

P_zu = U.I = U²/R,

wobei U dem über die Ansteuerschaltung 18 vorgegebe nen pulsweiten-modulierten Spannungssignal 16, I dem Motorstrom und R dem Ankerwiderstand des Motors ent spricht. Der Widerstand R kann unter Vernachlässigung einer Temperaturabhängigkeit als konstant angenommen werden. Erfahrungsgemäß schwankt der Ankerwiderstand R des Gleichstrommotors 10 bei einem Temperaturbe reich von beispielsweise -40°C bis +85°C um circa 50%.

Für die Ermittlung der Temperatur des Gleichstrom motors 10 muß zwischen zwei Betriebssituationen un terschieden werden. In einer ersten Betriebssituation (diabatischer Fall) ist ein Anker des Gleichstrom motors 10 in Bewegung, so daß über Kohlebürsten Wärme am gesamten Umfang eines Kommutators des Ankers abge führt werden kann. Eine zweite Situation (adiabati scher Fall) ist gegeben, wenn der Anker des Gleich strommotors 10 steht oder sich nur geringfügig dreht. Hierbei ist eine Wärmeabfuhr über die Kohlebürsten vom Kommutator stark eingeschränkt, so daß eine schnellere Erwärmung des Ankers und der Kohlebürste erfolgen kann.

Nachfolgend wird die Ermittlung einer Temperatur des Gleichstrommotors 10 aus dem pulsweiten-modulierten Signal 16 der Ansteuerschaltung 18 erläutert. Die Temperatur wird hierbei anhand einer Modellrechnung, das heißt ohne direkte Temperaturmessung, beispiels weise über einen Temperatursensor oder dergleichen, ermittelt. Die Temperaturermittlung kann in bestimm ten Zeitintervallen erfolgen. Hierbei kann beispiels weise als Zeitintervall für die Berechnung der aktu ellen Temperaturleistung P_T das Zeitraster der digi talen Pulsweiten-Modulations-Signale gewählt werden. Beispielsweise mit jeder Flanke von einem Übergang des digitalen Signales von AUS in EIN und/oder von EIN in AUS kann die Berechnung erfolgen. Zweckmäßig ist jedoch, die Berechnung in einem Zeitintervall durchzuführen, der jedoch nur jeden n-ten Stellwert (jede n-te Flanke) berücksichtigt. Mittels eines Fil ters kann hierbei der n-te zu berücksichtigende Wert ermittelt werden.

Eine momentane Leistung P_mom ergibt sich aus einer Quadrierung des momentanen digitalen Pulsweiten-Modu lations-Signales 16 PWM_mom. Dies entspricht der aktu ellen Ausgabe des Pulsweiten-Modulations-Signales 16 an die Schaltstufe 12. Es gilt also:

P_mom = PWM_mom.PWM_mom.

Eine im Gleichstrommotor 10 mit steigender Drehzahl auftretende Gegenspannung wird hierbei nicht berück sichtigt, sondern diese wird im Mittel als proportio naler Faktor angenommen, der durch anschließende Pa rametrierung berücksichtigbar ist.

Anschließend wird von der errechneten Leistung P_mom eine vom konkreten Gleichstrommotor 10 abhängige, maximal zulässige Leistung P_grenz subtrahiert, so daß sich eine Differenzleistung P_diff wie folgt ergibt:

P_diff = P_mom - P_grenz.

Zu jedem, für die Berechnung der Momentanleistung herangezogenen Zeitintervall (n-te Flanke des Signa les 16), wird die Differenzleistung P_diff aufinte griert, wobei gilt:

P_neu = P_alt + P_diff.

Erreicht die so auf integrierte Leistung P_neu eine für den Gleichstrommotor festlegbare Warnleistung P_warn kann über die Ansteuerschaltung 18 das pulsweiten modulierte Signal 16 für die Schaltstufe 12 so vari iert werden, daß eine weniger leistungsintensive An steuerung erfolgt. Hierdurch wird die Temperaturbe lastung des Gleichstrommotors 10 vermindert. Durch weitere Aufintegration der Differenzleistung P_diff wird eine festlegbare Abschaltschwelle P_max erreicht, zu der der Gleichstrommotor 10 abgeschaltet wird. Gleichzeitig erfolgt bei weiterer laufender Berech nung in jedem festgelegten Zeitintervall eine Absen kung des Integrationswertes P_neu linear um die Grenz leistung P_grenz. Ein Einschalten des Gleichstrom motors 10 kann dann erfolgen, wenn der Integrations wert P_neu eine festlegbare Grenze P_min erreicht hat. Mit Einschalten des Gleichstrommotors 10 über das Pulsweiten-Modulations-Signal 16 beginnt die Aufinte gration zur Leistung P_neu, entsprechend des genannten Ablaufes, neu.

Durch ein auf den konkreten Gleichstrommotor 10 und dessen konkrete Einsatzbedingung abgestimmtes charak teristisches Dauerlaufprogramm kann die maximal zu lässige Dauerlast simuliert werden. Hierbei sind die schlechtmöglichsten Bedingungen, beispielsweise hin sichtlich einer Außentemperatur und einer Luft feuchte, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Zwangskühlung im Zusammenhang mit einem repräsentati ven, das heißt durchschnittlich zu erwartenden Last moment zu berücksichtigen. Die maximal zulässige Dau erbelastung kann ermittelt werden, indem die Außen temperatur und gegebenenfalls die Luftfeuchte auf die schlechtmöglichsten zu erwartenden Werte eingestellt werden. Anschließend werden ein Dauerlaufzyklus und/oder ein Lastmoment solange schrittweise erhöht, bis eine gerade noch zulässige Temperatur des Gleich strommotors 10 erreicht ist. Aufgrund vorhandener Zeitkonstanten muß zur Ermittlung der zulässigen Dau erbelastung ein geringfügig unter dem ermittelten zulässigen Wert liegender Wert ermittelt werden. Un ter diesen dann gewählten Belastungsparametern wird der Gleichstrommotor 10 im Dauerlastbetrieb gefahren, wobei stabile Bedingungen nach circa einer Zeit ein treten, die dem Drei- bis Fünffachen einer thermi schen System-Zeit-Konstante des Gleichstrommotors 10 entsprechen. Die diesen Bedingungen entsprechenden Pulweiten-Modulations-Signale 16 werden durch die Ansteuerschaltung 18 erfaßt und abgespeichert und bei der späteren Temperaturbestimmung unter Einsatzbedin gungen herangezogen.

Die Grenzleistung P_grenz wird aus dem zeitlichen An stieg des Integrationswertes P_neu ermittelt, der zu nächst noch mit P_grenz = 0 berechnet wird und somit monoton steigt. Das Berücksichtigen des dann ermit telten Wertes für die Grenzleistung P_grenz bewirkt, daß bei maximaler zulässiger Belastung des Gleich strommotors 10 der Integrationswert P_neu unverändert bleibt. Die Festlegung der Warnleistung P_warn erfolgt unterhalb der Abschaltleistung P_max.

Um auch den genannten adiabatischen Fall berücksich tigen zu können, bei dem eine extreme Erwärmung in folge fehlender Wärmeabfuhr über die Kohlebürsten gegeben ist, ist vorgesehen, die momentane Leistung P_mom mit einer Filterleistung P_filter zu filtern. Die Filterleistung ergibt sich hierbei aus folgender Be ziehung

wobei K ein Verstärkungsfaktor, T_a eine Abtastzeit und T ein Tau-Wert ist.

Überschreitet die Filterleistung P_filter eine Warn leistung P_warn', kann auf eine weniger thermisch be lastende Regelstrategie zur Ansteuerung des Gleich strommotors 10 umgeschaltet werden. Beim Überschrei ten der Abschaltleistung P_max' wird der Gleichstrom motor 10 abgeschaltet. Die Filterleistung P_filter sinkt dann mit einer Zeitkonstante bis zum Erreichen einer Minimalleistung P_min'. Zu diesem Zeitpunkt bleibt die Filterleistung P_filter konstant, und der Gleichstrommotor 10 kann erneut eingeschaltet werden.

Die Zeitkonstante des Filters liegt in der Größenord nung, in der der Gleichstrommotor 10 durch maximal mögliche Belastung von seiner Betriebstemperatur auf eine kritische Temperatur erwärmt wird. Eine Parame trierung erfolgt durch Analyse einer kurzzeitig maxi mal zulässigen Belastung mit der kritischen Tempera tur. Diese kurzzeitige Belastung besitzt eine Größen ordnung von zirka dem dreifachen Wert der Zeitkon stante. Die maximal zulässige Belastung kann bei spielsweise durch einen Hochlauf des Gleichstrom motors unter maximaler Last bei ungünstigster zu er wartender Umgebungstemperatur sein. Die Filter leistung P_filter wird vorerst ohne Abschaltleistung P_max' implementiert und so das unter der Höchstlast erreichte Maximum der Filterleistung P_filter ermit telt. Die Abschaltleistung P_max' wird dann geringfü gig größer als diese erreichte maximale Filterlei stung P_filter gewählt. Die Warnleistung P_warn' wird wiederum unterhalb der Abschaltleistung P_max' ge wählt.

Die beiden genannten Betriebsfälle, der diabatische Fall beziehungsweise der adiabatische Fall, werden beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Gleichstrommotors 10 gemischt vorkommen. Insofern ist eine Verknüpfung der genannten ermittelten Werte notwendig. Hierbei erfolgt eine ODER-Verknüpfung der Warnleistung P_warn gemäß dem diabatischen Fall mit der Warnleistung P_warn' gemäß dem adiabatischen Fall. Eine Abschaltung des Gleichstrommotors 10 erfolgt ebenfalls durch eine ODER-Verknüpfung der beiden Abschaltleistungen P_max beziehungsweise P_warn' des diabatischen Falles bezie hungsweise des adiabatischen Falles. Ein Wiederein schalten des Gleichstrommotors 10 ist nur möglich, wenn bei beiden Fällen eine Wiedereinschaltung ge stattet ist, das heißt, die minimale Leistung P_min des diabatischen Falles und des adiabatischen Falles sind durch eine UND-Verknüpfung verbunden.

Insgesamt wird samt durch einfache Ausgestaltung beziehungsweise Auslegung der Auswerteschaltung 18 mit der Überlaststufe 20 eine Beeinflussung des Puls weiten-Modulations-Signales 16 zur Ansteuerung des Gleichstrommotors 10 möglich. Zusätzliche Temperatur messungen oder Strommessungen sind nicht erforder lich. Der Überlaststufe 20 muß lediglich eine An fangstemperatur mitgeteilt werden. Diese kann bei spielsweise die synthetische Vorgabe eines Anfangs wertes sein, der den schlechtmöglichsten Betriebsbe dingungen des Gleichstrommotors 10 entspricht. Ferner ist denkbar, eine von anderen Sensoren, beispielswei se innerhalb eines Kraftfahrzeuges angeordneten Tem peratursensoren, gelieferte Außentemperatur mit einer Abschaltzeit des Gleichstrommotors 10 zu verknüpfen, um so einen Anfangswert zu generieren.

Claims

1. Elektromotorischer Antrieb, mit einem über eine Endstufe ansteuerbaren Elektromotor, wobei der End stufe eine einen Mikroprozessor aufweisende Ansteuer schaltung zugeordnet ist, mittels der eine pulswei ten-modulierte Ansteuerung der Endstufe erfolgt, und die Ansteuerschaltung eine Überlaststufe umfaßt, die eine Überlastung des Elektromotors aus einer Tempera tur des Elektromotors detektiert, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperatur des Elektromotors aus einem Pulsweiten-Modulations-Signal (16) der Ansteu erschaltung (18) gewonnen wird.

2. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Pulsweiten-Modulations- Signal (16) in wählbaren Zeitintervallen ausgewertet wird.

3. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß das Pulsweiten-Modulations- Signal (16) mit jeder n-ten Flanke ausgewertet wird.

4. Elektromotorischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Zeitintervall eine Differenzleistung (P_diff) aufintegriert wird, die sich aus einer aus dem Puls weiten-Modulations-Signal (16) gewonnenen Momentan leistung (P_mom) und einer gerätespezifisch festgeleg ten Grenzleistung (P_grenz) ergibt.

5. Elektromotorischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer gerätespezifisch festgelegten Warn leistung (P_warn) durch die auf integrierte Leistung (P_neu) des Pulsweiten-Modulations-Signales (16) zur Ansteuerung des Elektromotors (10) variiert wird.

6. Elektromotorischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer gerätespezifisch festgelegten Ab schaltleistung (P_max) durch die auf integrierte Lei stung (P_neu) der Elektromotor (10) abgeschaltet wird.

7. Elektromotorischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wiedereinschalten des Elektromotors (10) erfolgt, wenn die weiter in den festgelegten Zeitintervallen ermittelte auf integrierte Leistung (P_neu) eine gerä tespezifische festlegbare Leistung (P_min) erreicht beziehungsweise unterschreitet.

8. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß die aus dem Pulsweiten-Mo dulations-Signal (16) gewonnene Momentanleistung (P_mom) mit einer Filterleistung (P_filter) gefiltert wird.

9. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 8, da durch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer geräte spezifisch festgelegten Warnleistung (P_warn') durch die Filterleistung (P_filter) das Pulsweiten-Modula tions-Signal (16) zur Ansteuerung des Elektromotors (10) variiert wird.

10. Elektromotorischer Antrieb nach einem der Ansprü che 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Errei chen einer gerätespezifisch festgelegten Abschalt leistung (P_max') durch die Filterleistung (P_filter) der Elektromotor (10) abgeschaltet wird.

11. Elektromotorischer Antrieb nach einem der Ansprü che 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wieder einschalten des Elektromotors (10) erfolgt, wenn die Filterleistung (P_filter) auf eine gerätespezifisch festgelegte Leistung (P_min) abgesunken ist.

12. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet, daß die Filterleistung (P_filter) mit einer gerätespezifisch festlegbaren Zeitkonstante sinkt.

13. Elektromotorischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsweiten-Modulations-Signal (16) variiert wird, wenn die Warnleistung (P_warn) oder die Warnleistung (P_warn') erreicht ist.

14. Elektromotorischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschaltung des Elektromotors (10) erfolgt, wenn die Abschaltleistung (P_max) oder die Abschaltleistung (P_max') erreicht ist.

15. Elektromotorischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wiedereinschaltung des Elektromotors (10) erfolgt, wenn die Leistung (P_min) und die Leistung (P_min') erreicht ist.