Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Betreiben eines durch Pulsweitenmodulation gesteuerten Elektromotors an einem Gleichspannungsnetz gemäß den unabhängigen Ansprüchen.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 199 44 194 Al bekannt, bei dem die Endstufe eines elektronisch kommutierbaren Motors über eine elektronische Steuereinheit mittels pulsweitenmodulierter Signale gesteuert wird. Hierbei wird der Elektromotor mit

Spannungsimpulsen aus einem Gleichstromnetz versorgt entsprechend den von einer Sollwertstufe vorgegebenen Steuerspannungsimpulsen.

Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung eines Elektromotors. Derartige Elektromotoren werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen in Form von Pumpenmotoren eingesetzt. Allgemein ist vorgesehen, den Elektromotor aus einer Batterie und/oder mittels eines Generators mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Steuerung und/oder Regelung erfolgt dabei mittels einer hochfrequenten Pulsweitenmodulation (PWM). Der Kern der Erfindung besteht darin, dass beim Anlauf des Elektromotors mittels der PWM der zum Betrieb des Elektromotors notwendige Motorstrom kontinuierlich, beispielsweise vom Wert 0 aus, erhöht wird.

Der Vorteil bei einer derartigen Ansteuerung des Elektromotors liegt darin, dass Stromspitzen vermieden werden können, die durch die beim Anlauf von Elektromotoren auftretenden großen Anlaufströme entstehen. Derartige Stromspitzen können zu einer Schädigung der Batterie führen. Weiterhin können diese Stromspitzen einen dynamischen Spannungseinbruch hervorrufen, der bei anderen Verbrauchern, die ebenfalls von der Batterie und/oder dem

Generator versorgt werden, zu einem Ausfall führen kann.

Vorteilhafterweise wird deshalb der Stromgradient, mit dem der Motorstrom kontinuierlich erhöht wird, auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt.

Der Maximalwert, der ebenfalls als Sollwert ausgestaltet sein kann, kann dabei in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Batterie und/oder des Generators vorgegeben werden. Typische Betriebsparameter stellen dabei den Entladestrom der Batterie und/oder den vom Generator erzeugten Stromanstieg dar. Darüber hinaus kann jedoch auch die bauliche Ausgestaltung des Generators verwendet werden, um den Maximalwert vorzugeben, beispielsweise durch die

Bestimmung der vom Generator maximal erreichbaren Stromsteilheit. Letztere wird definiert als der Strom, der innerhalb einer vorgegeben Zeit durch den Generator erzeugt werden kann.

Um den Anstieg des Motorstroms bzw. den Stromgradienten zu begrenzen, kann in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, die Drehzahl des Elektromotors zu begrenzen.

Dabei kann beispielsweise eine maximale Solldrehzahl verwendet werden, die in Abhängigkeit von der Batteriespannung vorgegeben wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Lastmoment, welches am Elektromotor anliegt oder vom Elektromotor aufgebracht werden muss, bei der Bestimmung der maximalen Solldrehzahl zu berücksichtigen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die zum Betrieb des Elektromotors vorgesehene Batterie bzw. der Generator weitere elektrische Verbraucher mit Energie versorgt. Dabei wird durch die vorliegende Erfindung verhindert, dass es bei Stromspitzen während des Anlaufs des Elektromotors zu einem Ausfall dieser weiteren Verbraucher kommt. In einer Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die kontinuierliche Erhöhung des Motorstroms bzw. der Stromgradient, auf den diese Erhöhung begrenzt ist, von der Versorgung der weiteren Verbraucher mit elektrischer Energie abhängig gemacht wird. So kann beispielsweise der Strombedarf für weitere Verbraucher in einem

Fahrzeug wie etwa die Heizung, das Licht oder ein ACC (Adaptive Cruise Control) darstellen berücksichtigt werden, um den zulässigen Stromgradienten zu bestimmen.

In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass lediglich der Elektromotor durch den Generator mit elektrischer Energie versorgt wird, wohingegen die weiteren elektrischen Verbraucher weitestgehend durch die elektrische Energie versorgt werden, die die Batterie liefert. Dabei ist durchaus auch denkbar, dass die Trennung der Versorgung nur während der Anlaufphase des Elektromotors stattfindet.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von

Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur

Steuerung bzw. Regelung eines Elektromotors. Ein entsprechendes Schaltbild ist in Figur 2 dargestellt. In Figur 3 wird ein Ersatzschaltbild eines Elektromotors gezeigt. Ein Vergleich des Motorstroms mit und ohne Stromgradientenbegrenzung ist in Figur 4 dargestellt. Die Figuren 5a bis 5c zeigen Darstellungen zur Erläuterung der Herleitung der Drehzahlbegrenzung.

Ausführungsbeispiel

Beim Betrieb eines Elektromotors kommt es beim Anlauf zu einem hohen Strombedarf. Wird der Elektromotor dabei durch eine Batterie mit elektrischer Energie versorgt, kann es zu einem

Einbruch der durch die Batterie gelieferten Versorgungsspannung kommen. Dieser dynamische Spannungseinbruch kann andere Verbraucher beeinträchtigen, die ebenfalls an der Batterie angeschlossen sind. Vor allem beim Anlauf eines elektrischen (Pumpen-)Motors in einem Fahrzeug, beispielsweise bei der Druckerzeugung im Rahmen eines elektro-hydraulischen Bremssystems, kann eine derartige temporär erniedrigte Versorgungsspannung zu Problemen bei anderen im Fahrzeug befindlichen elektrischen Komponenten führen.

- A -

AIs Abhilfe wird gemäß der vorliegenden Erfindung die dem Motor zugeführte Energie bzw. der zugeführte Motorstrom langsam erhöht, um ungewollt hohe Stromspitzen zu vermeiden und das Bordnetz des Fahrzeugs zu schonen.

Figur 1 zeigt schematisch eine mögliche Vorrichtung, mit der eine langsame bzw. kontinuierliche Erhöhung des Motorstroms am Elektromotor 180 erreicht werden kann. Dabei ist in einem Steuergerät 100 eine Verarbeitungseinheit 110 beispielsweise in Form eines Mikroprozessors oder eines ASICS vorgesehen, welche externe Daten auswertet und daraus Ansteuersignale ableitet, die den Elektromotor 180 und ggf. auch einen im Fahrzeug vorhandenen Generator 190 steuert bzw. regelt.

Als externe Daten können dabei Betriebsparameter des Elektromotors selbst erfasst werden, die mittels eines geeigneten Mittels 130 aufgenommen und an die Verarbeitungseinheit 110 weitergeleitet werden. Unter Betriebsparameter kann dabei auch das Druckverhältnis im hydraulischen Zweig vor und nach eines Pumpenmotors verstanden werden, das mittels

Drucksensoren oder Modellen ermittelt werden kann. Darüber hinaus können als Betriebsparameter jedoch auch vorgegebene Ansteuerparameter des Elektromotors erfasst werden, die wahlweise in einem geeigneten Speicher direkt am Elektromotor oder im Steuergerät abgelegt werden können. Schematisch sei ein solcher Speicher durch den Block 120 dargestellt.

Zur Initiierung der kontinuierlichen Stromerhöhung ist weiterhin notwendig, dass eine Anforderung zur Inbetriebnahme des Elektromotors durch eine entsprechende Vorrichtung 140 erfasst wird. Diese Vorrichtung kann darüber hinaus auch das geforderte Lastmoment für den Elektromotor abfragen und an die Verarbeitungseinheit 110 leiten, damit dieses bei der

Ansteuerung berücksichtig werden kann.

Ist in dem Fahrzeug, in dem das Steuergerät 100 eingesetzt wird, ein Generator 190 vorhanden, so können dessen Betriebsparameter ebenfalls zur Erzeugung der Ansteuersignale des Elektromotors 180 verwendet werden. Dazu wird beispielsweise mittels eines geeigneten

Mittels 150 der aktuelle Betriebszustand des Generators 190 erfasst. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass spezifische Bauparameter des Generators 190 berücksichtigt werden können, die in einem Speicher am Generator oder im Steuergerät abgelegt werden können. Als spezifischer

Bauparameter kann beispielsweise die vom Generator maximal erzeugbare Stromsteilheit, d.h. der erzeugbare Strom innerhalb einer vorgegeben Zeit verstanden werden.

Zur Ansteuerung des Elektromotors 180 wird zudem der Zustand der Batterie 160 erfasst und berücksichtigt. Dabei ist vornehmlich auf den Ladezustand bzw. den Beanspruchungsgrad der

Batterie durch weitere Verbraucher abzuzielen. Es ist jedoch auch möglich, gezielt die benötigte Versorgungsleistung der weiteren Verbraucher durch geeignete Mittel 170 zu erfassen, um eine Prognose über die Auslastung der Batterie 160 erstellen zu können. Eine derartige Prognose kann dabei ebenfalls in die Ansteuerung des Elektromotors 180 einfließen, beispielsweise wenn die Batterie die einzige Versorgungsspannung für die berücksichtigten Verbraucher liefert.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, dass der Generator 190 ebenfalls in Abhängigkeit von den erfassten Daten und/oder in Abhängigkeit von der Ansteuerung des Elektromotor 180 betrieben werden kann.

In Figur 2 ist ein schematisches Blockschaltbild dargestellt, in dem das Steuergerät 200 den Elektromotor 220 mittels einer Motorspannung U _M bzw. eines Motorstroms I _M steuert. Typischerweise wird eine derartige Steuerung durch eine (hochfrequente) Pulsweitenmodulation durchgeführt. Die Energieversorgung des Steuergeräts 200 bzw. des Elektromotors 220 wird im vorliegenden Fall durch eine Batterie 230, die eine Batteriespannung U _Ba t liefert, und einen

Generator 210 gesichert. Durch die Kombination der Batterie und des Generators kann das Steuergerät 200 bzw. der Elektromotor 220 mit einem höheren Strom l _Zu ι versorgt werden.

Da der Generator und die Batterie im Fahrzeug üblicherweise parallel geschaltet sind und der Generator nur mit einer gewissen Stromsteilheit (z.B. 300 bis 1000 A/s) nachgeregelt wird, wird bei einem sprungförmigen Einschalten des Motors der Strom aus der Batterie geliefert. Diese hohen Ströme können die Batterie schädigen. Durch die Vorgabe eines maximalen Stromgradienten, d.h. eines definierten Stromanstiegs in einer vorgegebenen Zeit bei der Ansteuerung des Motors während des Anlaufs kann eine derartige Schädigung vermieden werden. Wird zudem der Stromgradient an die Stromsteilheit des Generators angepasst, kann der zum Hochlaufen des Motors benötigte Motorstrom komplett durch den Generator des Fahrzeugs erzeugt werden. Dies verschont die Batterie vor hohen Stromsprüngen. Darüber

hinaus werden bei einer derartigen Ansteuerung dynamische Spannungseinbrücke im Bordnetz vermieden, da die Batterie entlastet wird.

Der Vergleich der Beanspruchung eines Motoranlaufs mit und ohne Stromgradientenbegrenzung ist in Figur 4 dargestellt. Aufgetragen ist dabei der für den Anlauf des Motors benötigte Motorstrom I _M über der Zeit t. Der Verlauf gemäß 420 zeigt dabei den Motorstrom I _M ohne Strombegrenzung mit einer sehr hohen Stromspitze kurz nach dem Start des Hochfahrens. Der gestrichelte Verlauf gemäß 400 zeigt hingegen einen kontinuierlichen Verlauf, der nach einer gewissen Zeit ebenfalls wie der Verlauf gemäß 420 in einen konstanten Strombedarf zum Betrieb des Motors übergeht.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel können auch verschiedene Stromgradienten eingestellt werden, die je nach hydraulischer Leistungsanforderung eines im Fahrzeug vorhandenen ESP- Reglers erforderlich sind.

Da der Elektromotor typischerweise zusätzlich eine Drehzahlregelung aufweist, kann die Einstellung des maximalen Stromgradienten über die Vorgabe einer Solldrehzahl durchgeführt werden. Die so verwendete maximale Solldrehzahl errechnet sich dabei in einem besonderen Ausführungsbeispiel gemäß

>

Die maximale Solldrehzahl lässt sich folgendermaßen herleiten:

Wie anhand eines Ersatzschaltbildes eines Elektromotors (siehe Figur 3) zeigen lässt, kann die Motorspannung U _M in verschiedenen Teilspannung U _R (Zuordnung zum ohmschen Widerstand

300 des Motors), Ui _n d (Zuordnung zum induktiven Widerstand 320 des Motors) und V>Q _W (Zuordnung zum generatorischen Anteil 340 des Motors) aufgespalten werden.

Die Systemgleichungen des Motors lassen sich aus Spannungsbilanz und Drallsatz herleiten und lauten:

_τ dω _

L— = U - Ri - Kω dt (i.i)

Die Zustände sind hierbei der Ankerstrom i und die Drehzahl ω. Die Parameter sind die Induktivität L, das Trägheitsmoment J, die Motorkonstante K und der Widerstand R. Die Eingänge des Systems sind die Stellgröße Versorgungsspannung U und das Lastmoment Ti _oad . Das Lastmoment ist abhängig von den an den Pumpenelementen anliegenden Drücken und der

Drehzahl. In erster Näherung kann die Drehzahlabhängigkeit vernachlässigt werden. Somit setzt sich das Lastmoment aus einem konstanten Reibanteil und einem druckabhängigen Lastanteil zusammen: ^~ / Hierbei stellt p _ds den druckseitigen und p _ss den saugseitigen Druck dar, deren Werte beispielsweise aus HIM (Hydraulikmodel des ESP) entnommen oder direkt durch Drucksensoren erfasst werden kann. Somit kann das Lastmoment als bekannt vorausgesetzt werden.

Im folgenden wird die Versorgungsspannung U so berechnet, dass sich die gewünschte

Solldrehzahl einstellt. Grundlage hierfür ist die Theorie der flachen Systeme. Wählt man als Ausgang die Drehzahl ω y ^{= ω} , (i.2) so erhält man durch die erste Ableitung und Einsetzen in die Systemgleichungen (1.1) eine Beziehung zwischen dem Ankerstrom i und der Drehbeschleunigung _{y = ώ} = I(κi -τ _load ) → i = l(jώ+ τ _load )

J ^κ . (1.3)

Bei weiterem Ableiten tritt die Versorgungsspannung U auf:

_y = ώ = — (U - Ri - Kω) + ^ JL J (1.4)

Durch Auflösen nach U erhält man

JL RJ R L

U = - ώ + — ώ + Kω + — T loa ,d + — T ^L ,load

^{K K K} . (1.5)

Diese Gleichung lässt sich aufgrund dem kleinen Einfluss der Induktivität vereinfachen. Durch Einsetzen der Sollgrößen erhält man somit eine Steuerung, die das System entlang der Solltrajektorie ω _d bewegt:

U ^d = -^ώ _{d +} Kω _{d +} ^T _load ^{κ κ} . (1.6)

Der erste Term berücksichtigt hierbei die Trägheit des Motors, der zweite die durch Drehung induzierte Spannung und der dritte die benötigte Spannung aufgrund des Lastmoments.

Planung der Solltrajektorie

Die Abtastung des Steuergeräts beträgt 5ms. Daher kann sowohl die Versorgungsspannung U als auch die Solltrajektorie ω _d (t) in diesen Zeitschritten modifiziert werden. In einem ersten Schritt wird hier die Trajektorie über einen Abtastzyklus geplant. Dies ist in der Figur 5a dargestellt.

Zum Zeitpunkt j wird somit die Solldrehzahl zum Zeitpunkt j+1 so gewählt, dass sowohl Stellgrößenbeschränkungen eingehalten werden als auch der Stromgradient das geforderte Maximum nicht überschreitet. Auf die Berechnung des neuen Sollwertes ω _d ^J+1 wird im folgenden näher eingegangen. Dazu ist zuerst die Berechnung der Regelung notwendig.

Berechnung der Regelung

Zur Regelung der Solldrehzahl wird ein linearer PI-Regler eingesetzt. Somit setzt sich der Regleranteil aus Proportional- und Integralanteil zusammen. In diskretisierter Schreibweise lassen sich somit die allgemeinen Reglergleichungen wie folgt anschreiben:

U^ ₁ = k _p (ωi -ωi _eas )+k _I £(ω _d -ωi _as )

1=1 u?

Hierbei muß jedoch die Tatsache berücksichtigt werden, dass die zum Zeitpunkt j gehörende Versorgungsspannung U erst zum Zeitpunkt j+1 ausgegeben wird und daher die Solltrajektorie um eine Abtastzyklus verschoben wird. Diese Sachverhalt wird in der Figur 5b verdeutlicht.

Daher wird im Regler die aktuelle Drehzahl mit der Solldrehzahl des letzten Zyklus verglichen. Somit ergibt sich für den Regler folgende Gleichung:

U^ = (k _p + - ^C ₁ W - ^O) L. ) + ^! (3.1)

Steuerung und Regelung

Die Stellgröße U setzt sich aus Vorsteuerung U _d und Regelung U _H zusammen:

R T R

U = U _d + U _PI = — ώ _d + Kω _d + -T _load + U _PI ^{κ κ} . (3.2)

Hierbei müssen die in der Steuerung verwendete Drehzahl und Drehbeschleunigung noch festgelegt werden. Die Drehbeschleunigung wird durch lineare Interpolation der Solldrehzahl zum Zeitpunkt j undj+1 ermittelt ω _d ⁺¹ - ω _d ω _d =

δt (3.3) Somit ergibt sich die Stellgröße U ⁺¹ zum Zeitpunkt j+1 durch

Hierbei ist zu beachten, dass lediglich der Steueranteil von der neuen Sollgröße ω _d ^J+1 abhängt. Diese Gleichung wird im folgenden verwendet um Stellgrößenbeschränkungen zu verhindern

Einhaltung von Stellgrößenbeschränkungen

Die Drehzahlregelung erhält von übergeordneten Funktionen eine Solldrehzahl. Jedoch kann nicht gewährleistet werden, dass diese durch die Pumpe ausgeführt werden kann. Daher soll die Solldrehzahl zum nächsten Zeitpunkt (j+l) so modifiziert werden, dass

Stellgrößenbeschränkungen erfüllt werden und daher die Drehzahl durch die Pumpe erreicht werden kann. Im folgenden werden hierfür durch (3.4) eine obere Schranke (d ⁺¹ _max und untere

Schranke (d ⁺¹ _mm für die Solldrehzahl berechnet, innerhalb denen die Stellgrößenbeschränkungen eingehalten werden. Die Solldrehzahl wird durch die Schranken beschränkt:

Die beiden Schranke lassen sich durch (3.4) errechnen. Durch Auflösen von (3.4) nach C^ ⁺¹ und einsetzen der Maximalspannung erhält man die obere Schranke:

Durch Einsetzen der Minimalspannung U=U _mm erhält man die untere Schranke.

Durch (4.1)-(4.3) kann somit gewährleistet werden, dass Stellgrößenbeschränkungen eingehalten werden. Jedoch können weiterhin sehr große Stromgradienten auftreten. Die

Beschränkung der Stromgradienten wird im folgenden beschrieben.

Begrenzung des Stomgradienten

a. Begrenzung Motorstromgradient

Aus der Momentenbilanz (1.1) lässt sich der Strom im zum Zeitpunkt m in Abhängigkeit des Lastmoments und der Drehbeschleunigung ausdrücken.

¹ = — l ^T load + ^Jω ) ^κ . (5.1)

Zur Begrenzung des Stromgradienten ist die änderung des Stromes zwischen den Abtastschritten maßgebend. Durch (5.1) kann die Stromänderung in Abhängigkeit der Lastmomentänderung und der Drehbeschleunigungsänderung bestimmt werden:

δi ^j+1 =i ^j+i -i ^j =-^(ώ ^j+i -ώ' H-^fc -TU )

^{K K} (5.2) Durch Einsetzten der maximal erlaubten Stromänderung δi _max erhält man somit die maximale

Drehbeschleunigung:

ώ^ =γδi _{max +} ώ ^J -ifc -T ₁ i _ad )

Hierbei ist zu beachten, dass die Lastmomentänderung aufgrund des unbekannten Lastmomentes zum Zeitpunkt j+1 durch die Lastmomentenänderung des letzten Zyklus approximiert wird. Somit erhält man durch lineare Approximation der Drehbeschleunigung eine weiter Bedingung für die neue Solldrehzahl ω _d ^J+1 :

, ω ^J+1 -ω ^{J δt (5.4) ω, J+1 = ω J + δtώitl}

Die neue Solldrehzahl unterliegt somit neben den Beschränkungen aus (4.1) der Beschränkung ω ^{d J+1} < ω ^{> J+1} . (5.6) Unter nominalen Bedingungen (keine Modellfehler, ideale Lastmomentabschätzung) kann somit durch Bedingung (5.6) der erlaubte Motorstromgradient eingehalten werden. Es ist zu beachten, daß sowohl Modellfehler als auch fehlerhafte Lastmomentabschätzungen zu Abweichungen führen können.

b. Begrenzung Batteriestromgradient

Maßgebend für die Bordnutzbelastung ist nicht direkt der Motorstrom i _mot , sondern der vom PWM Generator benötigte Batteriestrom i _bat . In der Figur 5c ist der PWM-Generator mit seinen Schnittstellen skizziert.

Aufgrund der Glättung des Batteriestroms durch Filter und der hohen Taktfrequenz wird hier von gemittelten Gleichspannungen ausgegangen. In Abhängigkeit des PWM-Tastverhältnisses und der Batteriespannung wird die Motorspannung berechnet:

U _mot = PWM U _bat _ _{(5 7)} Betrachtet man die Leistungsbilanz des PWM-Generators

^ bat bat ^ mot mot erhält man für den Batteriestrom i _bat = i _mot PWM _

Für den Stromgradienten der Batteriespannung gilt somit: i _bat = L _t PWM + i _mot PWM oder geschrieben mit Differenzen folgt

δi£ = δi^ _t PWM ^J +i^ _ot δPWM ^J+1 _ _{(5 g)}

Der Motorstrom des letzten Zyklus i _mot ^J und die PWM ^J können hierbei aus bekannten Größen des letzten Zyklus berechnet werden:

U ¹ - Kωi

^mot

R

U ¹

PWM ^] = ^{■ Uba " . (5.10)}

Die Motorstromdifferenz lässt sich mit Hilfe der Bewegungsgleichung wie folgt ausdrücken

Ersetzt man die Drehbeschleunigung des j+1 Zykluses durch die entsprechende

Differenzenapproximation erhält man

Ai ^J+ι = - ω ^J \+ — AT = ω ⁷ ω ^J ω ^J + — K At K KAt KAt K K ^{ki k} * . (5.12)

Die änderung der PWM berechnet sich aus dem Quotient von Versorgungsspannung U zu Batteriespannung U _ba t:

U ^J+ι APWM ^J+ι = PWM ^J+ι - PWM ¹ = PWM ¹ . ^Uba " (5.13)

Die Berechnung der Versorgungsspannung U wurde bereits oben hergeleitet (siehe (3.4)):

Um Rückwirkungen der Regelung auf die Trajektorienplanung zu verhindern wird hierbei der Regelanteil vernachlässigt. Setzt man dies in die änderung der PWM ein:

APWM ^J+1 = — — ⁺ -^ - PWM ^] = -^ω ^J+1 + -^ - PWM ^J

U bau U bau U b, au ^k " ^kl (5.15)

Durch Einsetzen von (5.12) und (5.15) in (5.9) erhält man

AC (5.16)

Oder aufgelöst nach der Drehzahl C^ ⁺¹ :

Setzt man für die Batteriestromänderung den maximal erlaubten Wert ein, erhält man die zugehörige Solldrehzahl:

(5.18)