DE4216040A1

DE4216040A1 - Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors auf thermische Überlastung

Info

Publication number: DE4216040A1
Application number: DE19924216040
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl Ing Lamm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1993-11-18
Also published as: WO1993023904A1; EP0640252A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors auf thermische Überlastung zwecks Generierung eines bei Überschreiten einer zulässigen Temperaturgrenze die Motorabschaltung bewirkenden Abschaltsignals.

Ein solcher Überlastschutz ist bei elektromotorischen Verstellsystemen in Kraftfahrzeugen, z. B. für Fensterheber, Hub-Schiebedächer oder Sitzverstellung unerläßlich, da stets mit plötzlich auftretender Schwergängigkeit der Verstellorgane oder mit Hindernissen in der Verstellbahn gerechnet werden muß, und es in diesen Fällen notwendig ist, zur Vermeidung irreparabler thermischer Beschädigungen den Elektromotor stillzusetzen.

Bisher bekannte Überwachungsverfahren für Elektromotoren auf thermische Überlastung hin verwenden einen an der Motorwicklung thermisch angekoppelten Bimetallschalter, dessen Schaltkontakt im Motorstromkreis liegt und bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur öffnet, so daß der Elektromotor abgeschaltet wird. Bei am Gleichspannungsnetz betriebenen Elektromotoren mit Kommutator werden diese Bimetallschalter bevorzugt auf dem Bürstenhalter untergebracht. Diese bekannten Bimetallschalter sind jedoch teuer und benötigen einen relativ großen Bauraum, der bei räumlich hochintegrierten Verstellsystemen zu nicht unerheblichen Einbauproblemen führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß es bei den heutigen modernen Verstellsystemen, die alle über einen Mikrocomputer zur Steuerung des Elektromotors verfügen, ohne nennenswerten Zusatzaufwand und ohne zusätzlichen Einbauraum für irgendwelche elektrische oder elektronische Bauteile implementiert werden kann. Alle Verfahrensschritte lassen sich durch eine geeignete Logik im Mikrocomputer realisieren. Die zur Erfassung der notwendigen Motordaten erforderlichen Sensoren sind meist in den Verstellsystemen aus anderen Gründen bereits vorhanden oder lassen sich problemlos im Motor selbst integrieren. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Thermoschalter nachgebildet, der keinerlei Bauvolumen benötigt, da alle für seine Nachbildung erforderlichen elektronischen Bauteile bereits in den Verstellsystemen vorhanden sind.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Überwachungsverfahrens möglich.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Motorverlustleistung aus der Drehzahl des Motors und der Motorklemmenspannung gemäß

P_Mot = (U_Batt - c · Φ · n)²/R_A (1)

berechnet, wobei R_A der Widerstand der Ankerwicklung, c·Φ die feldabhängige Induktionskonstante und U_Batt die Klemmenspannung des Elektromotors ist. Die Drehzahl wird dabei von einem Hallsensor erfaßt, der bei heutigen Verstellsystemen aus Gründen der Positionierung ohnehin im Elektromotor bereits integriert ist. Das vom Hallsensor gelieferte Sensorsignal steht bereits im Steuergerät bzw. Mikrocomputer zur Verfügung und kann dort zusätzlich zur Berechnung der Motorverlustleistung ausgenutzt werden. Wie bereits eingangs ausgeführt, ist der zur Sicherstellung des Überlastschutzes in den Verstellsystemen erforderliche Hardware-Aufwand gleich Null und lediglich ein geringer Software-Aufwand zu betreiben.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens können in einem erhöhten Maße dann ausgenutzt werden, wenn es in ein Verstellsystem eingeführt wird, das eine Vielzahl von Elektromotoren für verschiedene Stellvorgänge und ein zentrales Steuergerät aufweist, das über ein Multiplexersystem mit den Elektromotoren kommuniziert. In diesem Fall wird von dem zentralen Steuergerät aus der Überlastschutz für alle Elektromotoren sichergestellt, so daß gegenüber der Einzelausstattung der Elektromotoren mit thermisch ansprechenden Abschaltern beträchtliche Einsparungen erzielt werden können.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Verstellsystems für ein Hub-Schiebedach in Kraftfahrzeugen mit Überlastschutz,

Fig. 2 ein Diagramm, das den Verlauf des Integrationswertes der Motorverlustleistung über die Einschaltdauer des Motors zeigt,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Schaltkreises zur Realisierung des Überlastschutzes.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Verstellsystems für ein Hub-Schiebedach in Kraftfahrzeugen dargestellt, in welchem zwecks Überlastschutz eines das Hub-Schiebedach antreibenden Elektromotors 10 ein Verfahren zur Überwachung des Elektromotors 10 auf thermische Überlastung angewendet wird, das rechtzeitig vor Eintreten der thermischen Überlastung des Elektromotors 10 diesen abschaltet. Der am Gleichspannungsnetz des Kraftfahrzeugs betriebene Elektromotor 10 ist als Kommutatormotor ausgebildet, der von einem als Mikrocomputer ausgeführten Steuergerät 11 über eine Endstufe 12 mit Drehrichtungsumkehr gesteuert wird. Dem Steuergerät 11 werden die von Tastern ausgelösten Befehlssignale "Heben", "Öffnen", "Schließen" und "Zentralverriegelung (ZV)" zugeführt, das die Befehlssignale in entsprechende Steuersignale für die Endstufe 12 umsetzt. Die Endstufe 12 weist in bekannter Weise in Brückenschaltung angeordnete Leistungstransistoren auf, wobei die Leistungstransistoren in einander gegenüberliegende Brückenzweigen gleichzeitig angesteuert werden. An dem Diagonalzweig der Brückenschaltung ist der Elektromotor 10 angeschlossen. Je nach Ansteuerung der Transistorpaare dreht der Elektromotor zum Schließen bzw. öffnen rechts- bzw. linkssinnig. Sowohl die Endstufe 12 als auch das Steuergerät 11 ist an die Netzgleichspannung U_Batt angeschlossen. Zur Überwachung der Drehposition des Elektromotors 10 ist in diesem ein Hallsensor 13 integriert, der ein der Drehstellung des Elektromotors 10 entsprechendes Signal an das Steuergerät 11 liefert. In den Endpositionen des Hub-Schiebedaches wird ein Referenzschalter 14 mechanisch geschlossen, der ein Referenzsignal an das Steuergerät 11 gibt. Das Referenzsignal stellt die Bezugsgröße für die Berechnung der momentanen Drehposition des Elektromotors 10 aus dem Ausgangssignal des Hallsensors 13 dar. Zur Verhinderung der thermischen Überlastung des Elektromotors, z. B. infolge extremer Schwergängigkeit des Hub-Schiebedaches in der einen oder anderen Stellrichtung, wird während der Einschaltdauer des Elektromotors 10 dessen Verlustleistung bot oder eine zu dieser proportionale Größe anhand geeigneter Motordaten berechnet und integriert. Sobald der Integrationswert einen vorgegebenen Schwellwert erreicht oder übersteigt, wird ein Abschaltsignal erzeugt, das das Steuergerät 11 veranlaßt, den Elektromotor 10 abzuschalten.

Zur Berechnung der Motorverlustleistung P_Mot wird zunächst die Drehzahl n gemessen, wozu das Ausgangssignal des Hallsensors 13 herangezogen wird, das die Drehzahlinformation enthält. Außerdem wird die Klemmenspannung U_Batt des Elektromotors 10, die an dem Steuergerät 11 ohnehin zur Verfügung steht, gemessen. Die Motorverlustleistung P_Mot wird damit gemäß

P_Mot = (U_Batt - c · Φ · n)²/R_A (1)

berechnet. R_A ist dabei der Widerstand der Ankerwicklung des Elektromotors 10 und c·Φ die feldabhängige Induktionskonstante des Elektromotors 10. Letztere läßt sich aus der Motorkennlinie gemäß

c · Φ = U_o/n_o (2)

berechnen, wobei n_o die Leerlaufdrehzahl des Elektromotors 10 und U_o die Klemmspannung des Elektromotors 10 im Leerlauf ist.

Die Motorverlustleistung P_Mot wird nunmehr während der gesamten Einschaltdauer des Elektromotors 10 aufintegriert. Der Integrationswert, der ein Maß für die thermische Belastung des Motors ist, ist in Abhängigkeit von der Einschaltdauer in Fig. 2 für drei verschiedene Lastfälle dargestellt. Sobald der Integrationswert eine erste vorgegebene Schwelle S₁ erreicht bzw. überschreitet, wird das Abschaltsignal für den Elektromotor 10 generiert. Da mit Stillsetzen des Elektromotors 10 ein Abkühlprozeß einsetzt, wird dieser Abkühlprozeß dadurch simuliert, daß der Integrationswert vom Abschaltzeitpunkt an nach einer e-Funktion abgesenkt wird. Erreicht der Integrationswert eine zweite vorgegebene Schwelle 52, so kann der Elektromotor 10 - soweit er nicht aus anderen Gründen abgeschaltet bleibt - wieder eingeschaltet werden und das vorstehend beschriebene Verfahren der Berechnung der Motorverlustleistung und deren Aufintegration setzt erneut ein, bis die erste Schwelle S₁ wieder erreicht ist und das Abschaltsignal generiert wird. Dieser einsetzende Prozeß nach Wiedereinschalten des Elektromotors 10 ist in Fig. 2 für die drei Belastungsfälle strichliniert eingezeichnet.

Die vorstehend beschriebenen einzelnen Verfahrensschritte zur Erzeugung eines thermischen Überlastschutzes des Elektromotors 10 werden in einer in dem Steuergerät 11 integrierten Logik durchgeführt. Ein hardwaremäßiges Ausführungsbeispiel dieser Logik ist als Blockschaltbild in Fig. 3 dargestellt. Der Logikschaltkreis 15 umfaßt einen Multiplizierer 16, zwei Substrahierglieder 17, 18, einen Quadrierer 19, einen Dividierer 20, ein Integrierglied 21 und einen Komparator 22. In dem Multiplizierer 16 wird die Drehzahl n mit dem konstanten Faktor c·Φ multipliziert. Dieses Produkt wird in dem ersten Subtrahierglied 17 von der Klemmspannung U_Batt subtrahiert und das Ergebnis im Quadrierer 19 quadriert. Das Differenzquadrat wird im Dividierer 20 durch die Konstante R_A dividiert. Das Ausgangssignal des Dividierers 20 ist die Motorverlustleistung P_Mot. Dieses Signal wird über einen ersten Schalter 23 dem zweiten Subtrahierglied 18 zugeführt. Der Ausgang des zweiten Subtrahierglieds 18 liegt an dem Eingang des Integriergliedes 21, dessen Ausgang mit dem Eingang des Komparators 22 verbunden ist. Der beispielsweise als Fensterkomparator ausgebildete Komparator 22 verfügt über die zwei voreingestellten Schwellen S₁ und S₂. Der Ausgang des Integrierglieds 21 ist über einen zweiten Schalter 24 an den invertierenden Eingang des zweiten Subtrahiergliedes 28 rückgeführt. Die beiden Schalter 23, 24 werden synchron miteinander geschaltet, und zwar derart, daß mit Einschalten des Elektromotors 10 der erste Schalter 23 schließt und der zweite Schalter 24 öffnet und mit Abschalten des Elektromotors 10 durch das Abschaltsignal oder durch eine anderweitige Schaltmaßnahme der zweite Schalter 24 schließt und der erste Schalter 23 an Null gelegt wird.

Mit Einschalten des Elektromotors 10 wird von den Bauelementen 16-20 fortlaufend die Motorverlustleistung P_Mot nach Gl. (1) berechnet. Die Motorverlustleistung P_Mot wird über den geschlossenen Schalter 23 unmittelbar an das Integrierglied 21 gelegt, da das zweite Subtrahierglied 18 wegen des geöffneten zweiten Schalters 24 funktionslos ist.

Im Integrierglied 21 wird die Motorverlustleistung P_Mot aufintegriert und der am Ausgang des Integrierglieds 21 anstehende Integrationswert dem Komparator 22 zugeführt. Übersteigt der Integrationswert die obere Schwelle S₁, so tritt am Ausgang des Komparators 22 das Abschaltsignal auf, unterschreitet der Integrationswert die untere Schwelle S₂, so gibt der Komparator 22 ein Einschaltsignal ab.

Anstelle der Berechnung und Integration der Motorverlustleistung P_Mot kann auch eine der Motorverlustleistung proportionale Größe in der beschriebenen Weise verarbeitet werden. Eine solche Größe wäre beispielsweise die mit dem Ankerwiderstand R_A multiplizierte Verlustleistung P_Mot gemäß

(P_Mot·R_A) = (U_Batt - c · Φ · n)² (3).

In diesem Fall wären lediglich die Schwellen S₁ und S₂ im Komparator 22 entsprechend zu verändern, und zwar so, daß bei Erreichen der gerade noch zulässigen Temperaturgrenze des Elektromotors 10 die proportionale Größe den Wert der oberen Schwelle S₁ erreicht. Auf den Dividierer 20 kann dann verzichtet werden. Der Logikschaltkreis 15 kann aus analogen Bauelementen aufgebaut werden, wird aber bevorzugt in Digitaltechnik ausgeführt. In diesem Fall wird die berechnete Motorverlustleistung P_Mot in festen Zeitintervallen t_o abgetastet und die Abtastwerte in einem Addierer oder Summenspeicher aufsummiert. Es kann aber auch die Motorverlustleistung in festen Zeitintervallen t_o jeweils neu berechnet und die Rechenwerte aufsummiert werden. In beiden Fällen erhält man den Integrationswert, der mit den Schwellen S₁ und S₂ verglichen wird. Der Integrationswert simuliert die Temperatur des Elektromotors 10, so daß bei Erreichen oder Überschreiten der oberen Schwelle S₁ der Motor vor einer thermischen Überbeanspruchung abgeschaltet wird.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So läßt sich das Überwachungsverfahren für den Elektromotor 10 auf thermische Überlastung nicht nur durch einen hardwaremäßigen Logikschaltkreis 15 realisieren, sondern auch durch ein in das Steuergerät 11 integriertes Rechenprogramm, das die einzelnen Verfahrensschritte durchführt.

Die Verwendung der Drehzahl n des Elektromotors 10 zur Berechnung der Motorverlustleistung P_Mot ist hier besonders vorteilhaft, da üblicherweise Verstellsysteme über einen Hallsensor verfügen und somit die Drehzahl ohne Zusatzaufwand zur Verfügung steht. Wird in bestimmten Verstellsystemen auf solche Hallsensoren verzichtet, so kann die Motorverlustleistung auch aufgrund des gemessenen Motorstroms I gemäß

P_Mot = I² · R_A (4)

berechnet werden. Der Motorstrom I läßt sich in einfacher Weise durch Einbau eines Shunt in den Motorstromkreis erfassen. Anstelle der Verlustleistung kann auch eine dieser proportionale Größe berechnet werden, z. B. die Größe P_Mot·R_A, so daß zur Simulierung der Motortemperatur lediglich der gemessene Motorstrom I quadriert und integriert werden muß.

Das Steuergerät 11 wird bevorzugt in den Elektromotor 10 räumlich integriert. Sind in einem Kraftfahrzeug mehrere Verstellsysteme vorhanden, z. B. elektrische Fensterheber, elektrische Sitzverstellung u. dgl., so können alle Verstellmotoren von einem einzigen zentralen Steuergerät gesteuert werden, das über ein Multiplexersystem mit den einzelnen Verstellmotoren und den dort integrierten Sensoren verbunden ist. In diesem Fall kann das im Steuergerät implementierte Überwachungsverfahren alle Verstellmotoren bei deren Einschaltung gegen thermische Überlastung schützen, so daß seine Effektivität gegenüber herkömmlichen Überwachungsverfahren besonders deutlich in Erscheinung tritt.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors auf thermische Überlastung zwecks Generierung eines bei Überschreiten einer zulässigen Temperaturgrenze die Motorabschaltung bewirkenden Abschaltsignals, dadurch gekennzeichnet, daß während der Einschaltdauer des Elektromotors (10) dessen Verlustleistung (P_Mot) oder eine zu dieser proportionale Größe anhand gemessener Motordaten (U_Batt n) berechnet und integriert wird und daß zur Gewinnung des Abschaltsignals der Integrationswert mit einem vorgegebenen Schwellwert (S₁) verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fortlaufend berechnete Motorverlustleistung (P_Mot) in festen Zeitintervallen (t_o) abgetastet und der Integrationswert durch Aufsummierung der Abtastwerte gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorverlustleistung (P_Mot) in festen Zeitintervallen (t_o) berechnet und der Integrationswert durch Aufsummieren der Rechenwerte gewonnen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen oder Überschreiten des Schwellwerts (S₁) durch den Integrationswert das Abschaltsignal generiert wird und gleichzeitig eine Reduzierung des Integrationswertes nach einer dem Abkühlprozeß des Elektromotors (10) angenäherten Funktion, vorzugsweise einer e-Funktion, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen oder Unterschreiten eines vorgegebenen unteren Schwellwertes (S₂) durch den Integrationswert ein Einschaltsignal für den Elektromotor (10) generiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem an einem Gleichspannungsnetz betriebenen Elektromotor (10) dessen Drehzahl (n) gemessen und die Motorverlustleistung (P_Mot) gemäß P_Mot = (U_Batt - c · Φ · n)²/R_Aberechnet wird, wobei R_A der Widerstand der Ankerwicklung, c·Φ die feldabhängige Induktionskonstante und U_Batt die Klemmenspannung des Elektromotors (10) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem an einem Gleichspannungsnetz betriebenen Elektromotor (10) dessen Drehzahl (n) gemessen und eine zur Motorverlustleistung (P_Mot) proportionale Größe (P_Mot·R_A) gemäß (P_Mot · R_A) = (U_Batt - c · Φ · n)²berechnet wird, wobei U_Batt die Klemmenspannung und c·Φ die feldabhängige Induktionskonstante des Elektromotors (10) ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem an einem Gleichspannungsnetz betriebenen Elektromotor (10) dessen Motorstrom I gemessen und die Motorverlustleistung (P_Mot) gemäß P_Mot = I²·R_Aberechnet wird, wobei R_A der Widerstand der Ankerwicklung des Elektromotors (10) ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem an einem Gleichspannungsnetz betriebenen Elektromotor (10) dessen Motorstrom (I) gemessen und zur Berechnung einer der Motorverlustleistung (P_Mot) proportionalen Größe (P_Mot · R_A) quadriert wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch ein als Mikrocomputer ausgebildetes Steuergerät (11) zur Steuerung des Elektromotors (10), mit dem Steuergerät (11) verbundene Sensoren (13) zur Erfassung der aktuellen Motordaten während der Einschaltdauer des Elektromotors (10) und durch eine im Steuergerät (11) integrierte Logik (15) für die Berechnung der Motorverlustleistung (P_Mot), deren Integration und den Vergleich mit den vorgegebenen Schwellwerten (S₁, S₂).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 für mehrere zu überwachende Elektromotoren, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Elektromotor (10) ein Steuergerät (11) zugeordnet ist, das vorzugsweise im zugeordneten Elektromotor (10) integriert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 für mehrere zu überwachende Elektromotoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Steuergerät (11) vorgesehen ist, das über einen vorzugsweise integrierten Multiplexer alle Elektromotoren (10) steuert.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor zur Drehzahlmessung ein Hallsensor (13) verwendet wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Motorverlustleistungsintegration ein Integrierglied (21) vorgesehen ist, daß an dem Eingang des Integrierglieds (21) ein Subtrahierglied (18) angeschlossen ist, dessen nichtinvertierender Eingang über einen ersten Schalter (23) mit einem der Motorverlustleistung (P_Mot) oder einer dazu proportionalen Größe (P_Mot · R_A) entsprechenden Eingangssignal belegt ist und dessen invertierender Eingang über einen zweiten Schalter (24) mit dem Ausgang des Integrierglieds (21) verbunden ist, und daß die beiden Schalter (23, 24) so gesteuert sind, daß mit Motoreinschaltung der erste Schalter (23) geschlossen und der zweite Schalter (24) geöffnet und mit Motorabschaltung der erste Schalter an Null gelegt und der zweite Schalter (24) geschlossen wird.