DE19962068B4

DE19962068B4 - Lenkeinrichtung

Info

Publication number: DE19962068B4
Application number: DE1999162068
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Schüle; Thomas KÜHNHÖFER
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: DE19962068A1

Abstract

Lenkeinrichtung für ein Fahrzeug, die unter Verwendung eines Aktuators in Gestalt eines elektrischen Asynchronmotors (M) arbeitet, für den ein Regelkreis (RK) für den mehrphasigen Strom (I_ist) des Asynchronmotors (M) vorgesehen ist, wobei der Sollwert (I) des Stroms durch das Ausgangssignal eines Wandlers (W) mitbestimmt ist, der das Lenkmoment (M1) erfasst, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
– es ist eine Messeinrichtung (E) vorgesehen für die Spannungen (U) und die Ströme (I_ist) an Klemmen des Asynchronmotors (M),
– es ist eine Berechnungseinrichtung (BR) vorgesehen, der Eingangswerte entsprechend den gemessenen Werten für die genannten Spannungen und die genannten Ströme zugeführt sind und welche Ausgangswerte (b) entsprechend der Temperatur (ϑ_Rotor) oder der ohmschen Käfigleitfähigkeit des Rotors des Asynchronmotors (M) liefert,
– es ist eine Beeinflussungseinrichtung (BF) vorgesehen, die vom Ausgangswert (b) der Berechnungseinrichtung (BR) gesteuert ist, um den Regelkreis (RK) oder eine von dessen Signalgrößen (I, RG) in Abhängigkeit von diesem Ausgangswert...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von der Gattung aus, wie im Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 angegeben.
Bei Elektrolenkungen, die als Aktuator einen Asynchronmotor verwenden, wird der Motor vorteilhafterweise als Käfigläufer ausgebildet.

Aus der DE 197 51 566 A1 ist eine solche Elektrolenkung bekannt, nämlich eine Lenkeinrichtung für ein Fahrzeug, die unter Verwendung eines Aktuators in Gestalt eines elekrischen Asynchronmotors arbeitet. Es ist dort ein Regelkreis für den mehrphasigen Strom des Asynchronmotors vorgesehen, bei dem der Sollwert des Stroms durch das Ausgangssignal eines Wandlers, der das Lenkmoment erfasst, mitbestimmt wird. Der Regelkreis in dieser bekannten Elektrolenkung arbeitet nach dem Prinzip der rotorflußorientierten Steuerung der Asynchronmaschine und regelt den für das jeweilige Antriebsmoment benötigten Wirkstrom. Zur Vereinfachung der Regelungsstruktur wird davon ausgegangen, dass die Statorfrequenz der pulsweitenmodulierten Spannung der Asynchronmaschine gegen Null geht.

Aus der DE 196 25 350 A1 ist eine weitere Lenkvorrichtung bekannt, bei der die Stellbewegung von einem als Asynchronmotor ausgebildeten Motor ausgeführt wird und zur Berechnung der Stellgröße in einem Regelkreis ein Stellsignal aus dem Ausgangssignal eines Lenkwinkelgebers gebildet wird. Diese Lenkvorrichtung findet Anwendung beispielsweise bei Gabelstaplern.

Generell basiert die Regelung des Aktuators auf der Kenntnis der Eigenschaften des Motors. Die dazu notwendigen Daten gewinnt man aus der Berechnung des magnetischen Kreises des Motors und aus Messungen.

Die Motoreigenschaften sind nicht nur von der konstruktiven Auslegung, sondern auch von den Betriebs- und den Umgebungsbedingungen abhängig. Diese Einflüsse sollen im Interesse einer hohen Regelgüte in der Regelung berücksichtigt werden.

Ein wichtiger Umwelteinfluss ist die Temperatur. Bekannt ist eine hydraulisch unterstützte Lenkeinrichtung mit einer Hydraulikpumpe, die von einem elektrischen Pumpenmotor angetrieben wird. Dabei wird die Temperatur dieses Motors überwacht, ohne dass ein Temperatursensor benutzt wird. Bei Überhitzung wird der Motor abgeschaltet oder der Motorstrom reduziert. Die Überwachung geschieht in der Weise, dass zuvor zahlreiche Temperaturkennlinien gespeichert werden, die den Zusammenhang angeben zwischen dem Motorstrom und den zeitlichen Temperaturänderungen des elektrischen Motors. Es wird dann der Momentanstrom detektiert und die Temperaturänderung errechnet ( EP 423 737 A1 ).

Ferner ist eine Lenkeinrichtung bekannt, die mit der Unterstützung eines elektrischen Gleichstrommotors arbeitet. Um diesen vor Überlast zu bewahren, wird von dem Spulenwiderstand auf die Temperatur geschlossen. Der Spulenwiderstand wird unter anderem aus der Klemmenspannung und dem Strom errechnet ( EP 358 111 A1 ).

Bei der vorliegenden Erfindung geht es weniger um einen Schutz vor Überlastung oder Überhitzung, sondern um eine verbesserte Regelgüte bei der Regelung des Motorstroms.

Beim Betrieb des Asynchronmotors wird im Rotor Verlustleistung umgesetzt. Die damit verbundene Erwärmung des Rotors führt zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der im Rotor verwendeten Materialien. Die Regelung des Motorstroms basiert somit auf falschen Daten, was dazu führt, daß beispielsweise das von dem Motor abgegebene Moment falsch eingestellt wird.

Vorteile

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, mit dem der Regelung Daten zur Verfügung gestellt werden, die die realen Motoreigenschaften besser repräsentieren, wobei zu berücksichtigen ist, dass weder die Leitfähigkeit noch die Temperatur des Käfigläufers direkt gemessen werden können.

Der Anmeldungsgegenstand mit den Merkmalen des Anspruches 1 hat folgenden Vorteil:

Während beim oben erwähnten Stand der Technik eine Abschätzung der Statortemperatur vorgenommen wird, ist ein wichtiges Element der Erfindung die Ermittlung der Käfigleitfähigkeit aus Größen, die der Messung zugänglich sind. Dies sind üblicherweise die Spannungen und die Ströme an den Klemmen des Motors und die Drehzahl des Rotors. Bei bekannter Käfigleitfähigkeit können die Parameter der Regelung entsprechend angepaßt werden. Dies führt zu einer höheren Genauigkeit der Regelung und einer besseren Dynamik.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Merkmale auch, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden können.

Im folgenden werden zwei Alternativen beschrieben:

– Ermittlung der Rotortemperatur durch Beobachtung der in den Rotor eingebrachten Wärmeenergie,
– Berechnung einer die Rotorleitfähigkeit repräsentierenden Ersatzgröße durch Messung elektrischer Größen an den Klemmen

Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher erläutert.
Schematisch ist gezeigt in
1: ein thermisches Modell des Rotors eines Asynchronmotors,
2: ein Prinzipschaltbild,
3: ein stationäres Ersatzschaltbild eines Stranges eines Asynchronmotors unter Vernachlässigung der Statoreisenverluste.
Im Wesentlichen gleiche Teile in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist die erste Alternative dargestellt. In den Rotor werden die Rotorverluste P_Vrotor, die über die Welle transportierte Leistung P_Welle und die über den Luftspalt transportierte Leistung P_Luftspalt eingebracht. Alle Leistungen sind in Richtung des Rotors gepfeilt.
Die Verlustleistungsbilanz des Motors wird anhand der in den Rotor innerhalb der Zeit t eingebrachten Wärmeenergie aufgestellt. Es gilt mit ϑ_Rotor = Rotortemperatur:
K_R ... Materialkonstante
P_Welle... Über die Welle eingekoppelte Wärmeleistung
P_Vrotor... Im Rotor umgesetzte Wärmeleistung
P_Luftspalt... Über den Luftspalteingekoppelte Wärmeleistung
Die Konstante K_R ist nur von der Geometrie des Rotors und den Materialeigenschaften abhängig. Sie ist im technisch relevanten Temperaturbereich konstant. Die in Gleichung (1) auftretenden Leistungen sind in Richtung des Rotors gepfeilt. In der Regel wird über den Luftspalt und die Welle Wärmeleistung abgeführt, die im Rotor durch die dort fließenden Ströme entsteht. In diesem Fall sind P_Luftspalt und P_Welle negativ, P_Vrotor hingegen positiv.
Die über den Luftspalt abgeführte Leistung ist bei nicht belüfteten Motoren in erster Näherung von der Temperaturdifferenz zwischen Rotor und Stator, der Geometrie und den Materialeigenschaften abhängig. Dieser Zusammenhang lässt sich vor Inbetriebnahme meßtechnisch ermitteln und in die Differezialgleichung (1) einsetzen.
Auch die im Rotor umgesetzte Leistung P_Vrotor ist von der Rotortemperatur abhängig, da sich der Leitwert des Käfigmaterials mit zunehmender Rotortemperatur verringert. Sind die Statorströme und die Wellendrehzahl bekannt, lassen sich hieraus die Rotorströme berechnen (vgl. beispielsweise Germar Müller, Theorie elektrischer Maschinen) und P_Vrotor als Funktion von ϑ_Rotor angeben.
Die über die Welle abgeführte Leistung kann in erster Näherung kann aber P_Welle gegenüber P_Luftspalt vernachlässigt werden. Im folgenden soll diese Voraussetzung gelten:
für P_Welle << P_Luftspalt
mit ϑ_Stator = Statortemperatur
Die gesuchte Rotortemperatur ϑ_Rotor erhält man dann durch Lösung dieser Differentialgleichung. Im thermisch eingeschwungenen Zustand wird die im Rotor umgesetzte Leistung über den Luftspalt abgeführt, also P_Luftspalt = – P_Vrotor Als Startwert für die numerische Integration der Differenzialgleichung (2) kann die Statortemperatur ϑ_Stator angesetzt werden, da in den Fällen, in denen der Asynchronmotor kein Moment abgibt, die im Rotor umgesetzte Wärmeleistung P_Vrotor = 0 wird und deshalb im thermisch eingeschwungenen Zustand die Temperaturen von Rotor und Stator gleich sind.
Für die Statortemperatur kann in erster Näherung die Wicklungstemperatur angesetzt werden. Sofern der Motor keinen Temperatursensor besitzt, läßt sich diese durch Messung des temperaturabhängigen Wicklungswiderstands in den Zeitabschnitten, in denen der Motor kein Moment abgibt, ermitteln. Da bei Lenkungsanwendungen der Antrieb nur kurzzeitig Moment abgibt, ist das Zeitintervall zwischen zwei Messungen des Wicklungswiderstands hinreichend klein. Dem gemessenen Wicklungswiderstand wird entsprechend einer zuvor abgespeicherten Tabelle oder Kennlinie die Statortemperatur zugeordnet.
Der auf diese Weise ermittelten momentanen Rotortemperatur lässt sich auf Grund zuvor ermittelter Wertepaare die momentane Käfigleitfähigkeit zuordnen. Mit der Kenntnis der Rotortemperatur oder der Käfigleitfähigkeit kann nun der Regelkreis für den Motorstrom im Sinne einer Verbesserung der Regelgüte beeinflusst werden, beispielsweise über eine Manipulation einer der Größen, die einem Additionsglied im Regelkreis zugefüht werden.
Damit kann für die Lenkeinrichtung nach der Erfindung das in 2 beispielhaft dargestellte Prinzipschaltbild aufgebaut werden. Es zeigt eingangsseitig einen Momentenwandler W für das Lenkmoment M 1 an einem nicht dargestellten Lenkrad. Das Ausgangssignal Um des Momentenwandlers W gelangt zu einer Beeinflussungseinrichtung BF, die ausgangsseitig einen Strom 1 liefert. Dieser Strom ist der Sollwert für die nachfolgende Stromquelle Q, die den Iststrom I_ist für einen Asynchronmotor M liefert. Die Stromquelle Q ist Teil eines Regelkreises RK. Der Motror liefert das Moment M₂ zur Lenkunterstützung. Seine Momenten/Strom- Kennlinie wird durch die Rotortemperatur δ_Rotor beeinflußt. An den Motorklemmen ist eine Mekeinrichtung E für die Motorspannung U und den Motorstrom I_ist vorgesehen. Die von der Meßeinrichtung gemessenen Werte gelangen in eine Berechnungseinrichtung BR, deren Ausgangswerte b den störenden Einfluß der Rotortemperatur auf die elektrische Leitfähigkeit des Rotors berücksichtigen und den Regelkreis RK indirekt über die Befeinflussungseinrichtung BF beeinflussen. Dies geschieht durch Beeinflussung des Sollwertes 1 für den Regelkreis RK. Dazu wirkt die Beeinflussungsrichtung BF als nichtlineares Übertragungsglied, dessen Übertragungsfunktion durch die Ausgangswerte b beeinflußt ist. Dazu kann in dem Übertragungsglied eine Tabelle, Kennlinie oder Algorithmus abgelegt sein. Die Übertragungsfuntion I/U_m der Beeinflussungsrichtung BF ist damit abhängig von dem temperaturabhängigen Rotorwiderstand.
Das dargestellte Prinzipschaltbild ist einerseits eine Steuereinrichtung, bei der M 2 durch M 1 gesteuert wird. Es beinhaltet aber für den Strom I_ist auch einen Regelkreis RK. Und schließlich ist mit Hilfe der Meßeinrichtung E und mit der Berechnungseinrichtung BR und der Beeinflussungseinrichtung BF eine Parameter-Nachführung für die Steuerung des Momentes M 2 vorgesehen. Dieser Steuerung ist die Stromregelung (Regekreis RK) unterlagert.
Eine weitere Variante zur Ermittlung der Käfigleitfähigkeit verwendet das in 3 dargestellte stationäre Ersatzschaltbild mit den Motorklemmen 1 und 2. Größen mit dem Index s sind Statorgrößen, Größen mit dem Index r sind auf die Statorseite umgerechnete Rotorgrößen.
Mit R ist der ohmsche Wicklungs- bzw. Käfigwiderstand bezeichnet.
L_σ bezeichnet eine Streuinduktivität und L_h die Hauptinduktivität. Mit s ist der Schlupf bezeichnet.
Die Motorklemme 2 ist der in der Regel nicht zugängliche Sternpunkt des Motors; das Potential an dieser Klemme kann jedoch leicht unter Ausnutzung der Symmetrie aus den der Messung zugänglichen Potentialen an den Motorklemmen berechnet werden. Es wird daher im folgenden davon ausgegangen, daß die Strangspannung U₁ und der Strangstrom I₁ bekannt sind. Die Eingangsimpedanz
zwischen den Motorklemmen 1 und 2 beträgt:
Unter der Voraussetzung, daß außer R'r alle übrigen Größen bekannt sind, läßt sich Gleichung (3) nach R'r auflösen:
Es ist also möglich, den momentanen temperaturabhängigen Rotorwiderstand durch Messung des aktuellen Schlupfes und der aktuellen Spannungen und der Ströme an den Quellen zu bestimmen, nachdem vor Inbetriebnahme der ohmsche Statorwiderstand und die Induktivitäten ermittelt worden sind. Der Schlupf s errechnet sich im hier interessierenden Bereich zu s = (Leerlaufdrehzahl – Rotordrehzahl)/Leerlaufdrehzahl.
Zur Messung der Rotordrehzahl ist für dieses Ausführungsbeispiel in 2 ein Tacho T vorgesehen, der die gemessene Drehzahl als Tachosignal d an die Berechnungseinrichtung BR gibt.

Claims

Lenkeinrichtung für ein Fahrzeug, die unter Verwendung eines Aktuators in Gestalt eines elektrischen Asynchronmotors (M) arbeitet, für den ein Regelkreis (RK) für den mehrphasigen Strom (I_ist) des Asynchronmotors (M) vorgesehen ist, wobei der Sollwert (I) des Stroms durch das Ausgangssignal eines Wandlers (W) mitbestimmt ist, der das Lenkmoment (M1) erfasst, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – es ist eine Messeinrichtung (E) vorgesehen für die Spannungen (U) und die Ströme (I_ist) an Klemmen des Asynchronmotors (M), – es ist eine Berechnungseinrichtung (BR) vorgesehen, der Eingangswerte entsprechend den gemessenen Werten für die genannten Spannungen und die genannten Ströme zugeführt sind und welche Ausgangswerte (b) entsprechend der Temperatur (ϑ_Rotor) oder der ohmschen Käfigleitfähigkeit des Rotors des Asynchronmotors (M) liefert, – es ist eine Beeinflussungseinrichtung (BF) vorgesehen, die vom Ausgangswert (b) der Berechnungseinrichtung (BR) gesteuert ist, um den Regelkreis (RK) oder eine von dessen Signalgrößen (I, RG) in Abhängigkeit von diesem Ausgangswert (b) so zu beeinflussen, dass die Regelgüte verbessert wird.
Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussungseinrichtung (BF) zur Verwertung nur solcher Ausgangswerte (b) der Berechnungseinrichtung (BR) vorgesehen ist, die in Zeitabschnitten ermittelt worden sind, in denen der Motor (M) kein Moment abgibt.
Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Asynchronmotor (M) ein Tacho (T) zugeordnet ist, der sein Tachosignal (d) an die Berechnungseinrichtung (BR) gibt zur Berechnung des momentanen Rotorwiderstandes.