DE102006027174A1

DE102006027174A1 - Motortemperaturregelung unter Verwendung einer geschätzten Motortemperatur, bezogen auf die Motorverlustleistung

Info

Publication number: DE102006027174A1
Application number: DE102006027174A
Authority: DE
Inventors: Robert S. Paola Sundquist
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2007-01-25
Also published as: US7248009B1; US20070153433A1

Abstract

Ein System und ein Verfahren zur Regelung der Motortemperatur beruhen auf einer berechneten Motorverlustleistung und einem thermischen Modell des Motors statt auf einer gemessenen Motortemperatur in einem Regelkreis, der den Motorantrieb begrenzt, um Überhitzung zu vermeiden. Ein Umgebungstemperatursensor misst die Umgebungstemperatur nahe dem Motor, und eine Bestimmung der Motorverlustleistung wird durchgeführt. Die Motorwicklungstemperatur wird geschätzt, bezogen auf die gemessene Umgebungstemperatur und die bestimmte Motorverlustleistung. Eine maximale Motorverlustleistung, die die Motortemperatur bis auf einen vorgegebenen maximalen Temperaturwert anheben würde, wird bestimmt, bezogen auf die geschätzte Temperatur. Die Motorverlustleistung ist auf einen Wert begrenzt, der unterhalb der bestimmten maximalen Verlustleistung liegt.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US Patentanmeldung Nr. 60/688,500, angemeldet am 07. Juni 2005.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Motortemperaturregelung und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zur Regelung der Motortemperatur, bezogen auf die Leistung, die vom Motor abgeführt wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Flugzeuge umfassen typischerweise eine Vielzahl von Flugleitwerken, die, wenn sie regelbar gelagert sind, die Bewegung des Flugzeugs von einem Ziel zu einem anderen leiten. Die Anzahl und der Typ der Flugleitwerke, die in einem Flugzeug enthalten sind, können variieren, umfassen aber typischerweise sowohl primäre Flugleitwerke als auch sekundäre Flugleitwerke. Die primären Flugleitwerke sind die, die verwendet werden, um die Flugzeugbewegung in den Neigungs- und Gier- und Längsachsen zu steuern, und die sekundären Flugleitwerke sind die, die verwendet werden, um den Auftrieb und den Luftwiderstand (oder beides) des Flugzeugs zu beeinflussen.
In einigen Flugzeugen kann die Lage der Flugleitwerke des Flugzeugs durch Eingabe vom Flugpersonal und/oder durch ein Autopilotsystem geregelt werden. Das Autopilotsystem erzeugt geeignete Lagebefehle, die mindestens einige Flugleitwerke des Flugzeugs (z.B. die primären Flugleitwerke) in gewünschte Positionen bewegen. In den meisten Fällen wird diese Bewegung durch Stellglie der ausgeführt, die mit den Flugleitwerken gekoppelt sind. In einigen Autopilotsystemen sind alle oder einige der Stellglieder elektromechanische Stellglieder. Elektromechanische Stellglieder umfassen typischerweise einen elektrischen Motor, der Motorsteuerbefehle von einem Regler erhält. Als Antwort auf diese Motorsteuerbefehle erzeugt der Motor ein Moment, das an ein Stellglied übertragen wird, das wiederum die Bewegung eines Flugleitwerks bewirkt.
Vorzugsweise sind die Motorsteuerbefehle derart, dass die Verlustleistung des Motors ausreichend gering ist, oder dass der Motor über ausreichend kurze Zeitintervalle den Motorsteuerbefehlen nachkommen kann, ohne zu überhitzen. Aber es kann Fälle geben, bei denen dies nicht der Fall ist. Daher kann es wünschenswert sein, die Motortemperatur zu messen und, bezogen auf die Motortemperatur, die Motorleistung zu begrenzen, um ein solches Überhitzen zu vermeiden. Dennoch ist es typischerweise unpraktisch, die Motortemperatur direkt zu messen, weil seine Rotation das Anbringen eines Temperatursensors schwierig, wenn nicht unmöglich machen kann.

Daher gibt es einen Bedarf für ein System und ein Verfahren zur Überwachung und Regelung der Motortemperatur, um sicher zu stellen, dass der Motor nicht überhitzt, und das nicht auf einem direkten Messen der Motortemperatur beruht. Die vorliegende Erfindung bezieht sich mindestens auf diesen Bedarf.

KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung regelt die Motortemperatur, bezogen auf die berechnete Motorverlustleistung und auf ein thermisches Modell des Motors, anstatt auf die gemessene Motortemperatur, in einer Regelschleife, die den Motorantrieb begrenzt, um ein Überhitzen zu vermeiden.

In einer Ausführungsform, und nur beispielhaft, umfasst ein Verfahren zur Begrenzung der Motortemperatur bis auf einen vorgegebenen maximalen Temperaturwert durch Begrenzung der Motorverlustleistung, das Messen der Umgebungstemperatur nahe dem Motor, das Bestimmen der Motorverlustleistung und das Schätzen der Motorwicklungstemperatur, bezogen auf die gemessene Umgebungstemperatur und die bestimmte Motorverlustleistung. Eine maximale Motorverlustleistung, die die Motortemperatur auf den vorgegebenen Temperaturwert innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne anheben würde, wird, bezogen auf die geschätzte Wicklungstemperatur, bestimmt. Die Motorverlustleistung ist auf einen Wert begrenzt, der unterhalb der bestimmten maximalen Verlustleistung liegt.

In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein System zur Begrenzung der Motortemperatur einen Umgebungstemperatursensor, ein Mittel zur Bestimmung der Motorverlustleistung, ein Mittel eines thermischen Modells, ein Mittel zur Bestimmung der Motorverlustleistungsgrenze und ein Begrenzermittel. Der Umgebungstemperatursensor ist funktionell, um die Umgebungstemperatur in der Nähe des Motors zu messen und um ein Umgebungstemperatursignal zu liefern, das diese darstellt. Das Mittel zur Bestimmung der Motorverlustleistung reagiert auf die Motorsteuerbefehle, um ein Motorverlustleistungssignal zu liefern, das die Verlustleistung des Motors darstellt. Das Mittel des thermischen Modells reagiert auf das Umgebungstemperatursignal und auf das Motorverlustleistungssignal zum Schätzen der Motorwicklungstemperatur und zur Lieferung eines Motorwicklungstemperatursignals, das diese darstellt. Das Mittel zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze reagiert auf das Motorwicklungstemperatursignal zur Bestimmung eines maximalen Motorsteuerbefehls, der, wenn er an den Motor geliefert wird, die Motortemperatur auf den vorgegebenen maximalen Temperaturwert innerhalb einer bestimmten Zeitspanne anheben würde und zur Lieferung eines Motorverlustleistungsbegrenzungssignals, das diese darstellt. Das Begrenzermittel reagiert auf das Motorverlustleistungsbegrenzungssignal zur Begrenzung der Motorsteuerbefehle, die an den Motor geliefert werden, bezogen auf das bestimmte Motorverlustleistungsbegrenzungssignal.

In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Stellgliedsystem eines Flugleitwerks einen Stellgliedmotor, ein Flugleitwerksstellglied, einen Umgebungstemperatursensor und einen Stellgliedregler. Der Stellgliedmotor ist angekoppelt, um Stellgliedmotorsteuerbefehle zu empfangen und ist so konfiguriert, eine Antriebskraft zu liefern, nachdem diese empfangen wurden. Das Stellglied des Flugleitwerks ist angekoppelt, um die Antriebskraft zu empfangen und um sich nach dessen Empfang in eine angewiesene Position zu bewegen. Der Umgebungstemperatursensor ist funktionell, um die Umgebungstemperatur in der Nähe des Stellgliedmotors zu messen und ein Umgebungstemperatursignal zu liefern, das diese darstellt. Der Stellgliedregler ist angekoppelt, um das Umgebungstemperatursignal zu empfangen und ist angepasst, um Flugleitwerkpositionsbefehle zu empfangen. Der Stellgliedregler ist funktionell, um als Antwort auf das Umgebungstemperatursignal und die Positionsbefehle des Flugleitwerks einen Stellgliedmotorsteuerbefehl an den Stellgliedmotor zu liefern und die Stellgliedmotortemperatur auf eine vorgegebene maximale Temperatur zu begrenzen. Der Stellgliedregler schließt ein Mittel zur Bestimmung der Verlustleistung, ein Mittel eines thermischen Modells, ein Mittel zur Bestimmung der Motorverlustleistungsgrenze und ein Begrenzermittel ein. Das Mittel zur Bestimmung der Motorverlustleistung reagiert auf die Steuerbefehle des Stellgliedmotors, um ein Motorverlustleistungssignal zu liefern, das die Verlustleistung des Motors darstellt. Das Mittel des thermischen Modells reagiert auf das Umgebungstemperatursignal und auf das Motorverlustleistungssignal zur Schätzung der Motorwicklungstemperatur und zur Lieferung eines Motorwicklungstemperatursignals, das diese darstellt. Das Mittel zur Bestimmung der Motorverlustleistungsgrenze reagiert auf das Motorwicklungstemperatursignal zur Bestimmung einer maximalen Stellgliedmotorleistung, das, wenn es an den Stellgliedmotor geliefert wird, die Stellgliedmotortemperatur auf den vorgegebenen maximalen Temperaturwert innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne anheben würde, und zur Lieferung eines maximalen Stellgliedmotorverlustleistungssignals, das diese darstellt. Das Begrenzermittel reagiert auf das maximale Stellgliedmotorverlustleistungssignal zur Begrenzung der Stellgliedmotorsteuerbefehle, die an den Stellgliedmotor geliefert werden, bezogen auf die bestimmte maximale Stellgliedmotorleistung.

Weitere unabhängige Merkmale und Vorteile des bevorzugten Motortemperaturregelungssystems und des Verfahrens werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, die beispielhaft Grundsätze der Erfindung darstellen, ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden geeigneten Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, beschrieben und
1 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines beispielhaften Flugzeugs, das eine Ausführungsform eines beispielhaften Stellgliedsystems eines Flugleitwerks darstellt, das die vorliegende Erfindung ausführen kann;
2 ist ein funktionelles Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Regelkreises der vorliegenden Erfindung, das in dem System von 1 verwendet werden kann;
3 ist ein detaillierteres funktionelles Blockschaltbild eines Regelkreises gemäß 2;
4 ist ein schematisches Schaltbild eines entsprechenden elektrischen Schaltkreises für ein thermisches Modell eines Motors, der in den Regelkreisen in den 2 und 3 verwendet werden kann; und
5 ist ein detaillierteres funktionelles Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines thermischen Reglers, der verwendet werden kann, um den Regelkreis in den 2 und 3 auszuführen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhaft in ihrer Art, und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung oder die Anwendbarkeit und Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Außerdem ist nicht beabsichtigt, an irgendeine Theorie gebunden zu sein, die im vorangegangenen Hintergrund der Erfindung oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung dargestellt ist. In diesem Zusammenhang wird verstanden, dass das Sys tem und das Verfahren in irgendeiner/m von zahlreichen anderen Vorrichtungen und Systemen, die elektrische Motoren verwenden, eingesetzt werden kann, obwohl das folgende System und das Verfahren als in einem Flugleitwerk eingesetzt beschrieben sind.
In 1 wird zunächst ein schematisches Schaltbild eines Teils eines beispielhaften Flugzeugs und eines beispielhaften Flugleitwerkstellgliedsystems gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Flugzeug 100 ein Paar Höhenleitwerke 102, ein Seitenruder 104 und ein Paar Querruder 106, welche die primären Flugleitwerke bilden, und eine Vielzahl von Bremsklappen 108, Vorflügeln 112 und Störklappen 114, welche die sekundären Flugleitwerke bilden. Die primären Flugleitwerke 102–106 regeln die Flugzeugbewegungen um die Flugzeugsteigungs-, Gier- und Längsachsen. Insbesondere die Höhenleitwerke 102 werden verwendet, um die Flugzeugbewegung um die Steigungsachse zu regeln, das Seitenruder 104 wird verwendet, um die Flugzeugbewegung um die Gierachse zu regeln, und die Querruder 106 regeln die Flugzeugbewegung um die Längsachse. Es wird jedoch angemerkt, dass die Flugzeugbewegung um die Gierachse auch entweder durch Schräglage des Flugzeugs oder durch Änderung der Schubhöhe der Triebwerke auf den gegenüberliegenden Seiten des Flugzeugs 100 erreicht werden kann.
Die sekundären Leitwerke 108–114 beeinflussen den Auftrieb und den Luftwiderstand des Flugzeugs 100. Zum Beispiel können während des Flugzeugstart- und -landevorgangs, wenn erhöhter Auftrieb gewünscht ist, die Bremsklappen 108 und die Vorflügel 112 von eingefahrenen Positionen zu ausgefahrenen Positionen bewegt werden. In der ausgefahrenen Position erhöhen die Bremsklappen 108 sowohl Auftrieb als auch Luftwiderstand und ermöglichen dem Flugzeug, bei einer gegebenen Fluggeschwindigkeit steiler abzusteigen und ermöglichen es dem Flugzeug 100 auch, über eine kürzere Entfernung in die Luft zu kommen. Die Vorflügel 112 erhöhen in der ausgefahrenen Position den Auftrieb, und sie werden typischerweise in Verbindung mit den Bremsklappen 108 verwendet. Die Störklappen 114 andererseits verringern den Auftrieb und, wenn sie von den eingefahrenen Positionen in die ausgefahrenen Positionen bewegt werden, was typischer weise während Flugzeuglandevorgängen stattfindet, können sie als Luftbremsen, die helfen das Flugzeug 100 zu verlangsamen, verwendet werden.
Die Flugleitwerke 102–114 werden durch Eingabe von der Flugbesatzung in die gewünschten Positionen bewegt. Insbesondere die nicht dargestellten mechanischen Verbindungen zwischen den nicht dargestellten Regelungen durch Piloten und den Flugleitflächen oder nicht dargestellten Stellgliedern bewirken eine Bewegung der Flugleitwerke 102–114. Zusätzlich dazu oder an Stelle dessen werden die primären Flugleitwerke 102–106 durch Eingabe von der Flugbesatzung durch ein Autopilotsystem 120 bewegt. Das Autopilotsystem 120 umfasst einen Autopilotcomputer 122 und eine Vielzahl von Baugruppen von primären Flugleitwerkstellgliedern 124. Es wird verstanden, dass eine oder mehrere Baugruppen von sekundären Flugleitwerkstellgliedern auch typischerweise an jedes sekundäre Flugleitwerk 108–114 gekoppelt sind. Jedoch sind zur Klarheit und Erleichterung der Darstellung und der weiteren Beschreibung die Stellglieder der sekundären Flugleitwerke nicht dargestellt und hier nicht weiter beschrieben.
Der Autopilotcomputer 122 liefert, wenn er richtig aktiviert ist, Flugleitwerkspositionsbefehle an die zugehörigen Stellgliedbaugruppen 124 der primären Flugleitwerke. Die Stellgliedbaugruppen 124 der primären Flugleitwerke bewegen als Antwort auf die Flugleitwerkpositionskommandos die zugehörigen primären Flugleitwerke 102–106 in die zugewiesene Flugleitwerksposition.
Das Autopilotsystem 120 kann eingesetzt werden, indem verschiedene Stellgliedbaugruppen 124 von primären Flugleitwerken verwendet werden. Zusätzlich kann die Anzahl der Stellgliedbaugruppen 124 pro primärem Flugleitwerk 102–106 verändert werden. In der dargestellten Ausführungsform ist das Autopilotsystem 120 so konfiguriert, dass ein Paar Stellgliedbaugruppen 124 an jedes der primären Flugleitwerke 102–106 gekoppelt ist. Das Autopilotsystem 120 kann zusätzlich eingesetzt werden, indem verschiedene Arten von Stellgliedern 124 von primären Flugleitwerken verwendet werden. Jedoch werden die Stellglieder 124 der primären Flugleitwerke in der dargestellten Ausführungsform eingesetzt, indem motorgetriebene elektromechanische Stellglieder, die einzeln geregelt werden, durch einzelne Stellgliedfernbedienungen 126 geregelt werden. Die Stellgliedregler 126 erhalten jeweils durch ein oder mehrere nicht dargestellte Kommunikationswege geeignete Positionsbefehle der Flugleitwerke, die vom Autopilotcomputer 122 geliefert werden. Als Antwort darauf liefern die Stellgliedregler 126 Stellgliedmotorsteuerbefehle an die Motoren, die die Stellglieder 124 der primären Flugleitwerke antreiben. Die Motoren empfangen die Stellgliedmotorsteuerbefehle von den Stellgliedreglern 126, und als Antwort darauf rotieren sie entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigesinn, um die Stellglieder 126 entweder in einer ersten Richtung oder in einer zweiten Richtung anzutreiben, um die primären Flugleitwerke 102–106 auf und ab oder entsprechend nach links und nach rechts zu bewegen.
Obwohl die Stellgliedmotorsteuerbefehle eingesetzt werden können, indem irgendeins von vielen Arten von Signalen verwendet wird, werden die Stellgliedmotorsteuerbefehle in der dargestellten Ausführungsform als pulsweitenmodulierte (PWM-) Signale eingesetzt. Der Arbeitszyklus eines PWM-Signals regelt den durchschnittlichen Strom, der an einen Motor geliefert wird, und infolgedessen die Momentenleistung des Motors. Wie oben angemerkt wurde, können die Stellgliedmotorsteuerbefehle eine hohe Momentenleistung der Stellgliedmotoren und daher eine hohe Verlustleistung ergeben. Somit setzen die Stellgliedregler 126 jeweils einen Regelkreis ein, der verhindert, dass die Stellgliedmotoren während der Stellbewegung der Flugleitwerke überhitzen.
Eine beispielhafte Ausführungsform des Regelkreises, der in den Stellgliedreglern 126 eingesetzt wird, ist in 2 dargestellt und wird nun ausführlicher beschrieben. Vorher wird es jedoch verstanden, dass, obwohl der Regelkreis in funktionellen Blöcken dargestellt ist, dieses lediglich zur Vereinfachung der Darstellung und Beschreibung erfolgt, und dass der Regelkreis eingesetzt werden kann, indem eine von zahlreichen Anordnungen und Verfahren verwendet wird. Zum Beispiel kann der Regelkreis entweder teilweise oder als Ganzes in der Hardware eingesetzt werden, indem entweder digitale oder analoge Schaltkreise verwendet werden, oder er kann in der Software, in der Firmware oder in verschiedenen Kombinationen von Hardware, Software und Firmware eingesetzt werden.
Obwohl weiterhin der Begriff „Schaltkreis" oder „Funktion" hier verwendet werden kann, wird es verstanden, dass diese Begriffe nicht auf Ausführungen, die einzelne Schaltkreise oder Schaltkreiselemente verwenden, beschränkt sind. Vielmehr umfassen diese Begriffe Ausführungen der verschiedenen Schaltkreise oder Funktionen, teilweise oder als Ganzes, in einem oder mehreren programmierbaren oder anwendungspezifischen integrierten Schaltkreisen, mehrfach digitale oder analoge Hardwarekomponenten, Software, Firmware oder verschiedene Kombinationen davon.
Es folgt nun eine Beschreibung des Regelkreises, und man sieht, dass der Regelkreis 200 einen Positionsregler 202 und einen Temperaturregler 204 einsetzt. Der Positionsregler 202 kann eingesetzt werden, indem einer von zahlreichen Positionsreglern, die heute bekannt sind oder in Zukunft entwickelt werden, verwendet wird, um die Position zu regeln. Wie in 2 dargestellt, empfängt der Positionsregler 202 die gewünschten Positionsbefehle, wie zum Beispiel die Positionsbefehle für die Flugleitwerke, die von einem der oben beschriebenen Autopilotcomputer 122 ausgegeben werden, und die Motorverlustleistungsgrenzen (P_{VERLUST_GR}), die vom Temperaturregler 204 geliefert werden. Als Antwort auf die gewünschten Positionsbefehle und die Motorverlustleistungsgrenzen (P P_{VERLUST_GR}) liefert der Positionsregler 202 leistungsbegrenzte Motorsteuerbefehle, wie die Motorsteuerbefehle für das Stellglied, die oben beschrieben wurden, an den Motor 206. Der Motor 206 antwortet auf die leistungsbegrenzten Motorsteuerbefehle und rotiert in der angewiesenen Richtung, um Antriebskraft zum Beispiel an eine primäre Stellgliedbaugruppe 124 zu liefern. Der Positionsregler 202 erhält auch ein Positionsrückmeldungssignal (θ), welches entweder von einem nicht dargestellten Motorpositionssensor, wie zum Beispiel einer Drehmeldereinheit oder einem Stellgliedspositionssensor, geliefert wird oder von einem Flugleitwerkpositionssensor 128 (siehe 1), wie zum Beispiel einem LVDT (linearer variabler Differentialtransformer), um die Positionsregelung in einem geschlossenen Regelkreis auszuführen. Es wird verstanden, dass die leistungsbegrenzten Motorsteuerbefehle als eine von vielen physikalischen Größen und in jeder von zahlreichen Formen eingesetzt werden können, zum Beispiel können die leistungsbe grenzten Motorsteuerbefehle als Strom oder als Spannung oder zum Beispiel als variable Arbeitszyklus-PWM Signale, wie oben beschrieben, eingesetzt werden.
Der Temperaturregler 204 empfängt ein Umgebungstemperatursignal (T_A) von einem Umgebungstemperatursensor 208 und die leistungsbegrenzten Motorsteuerbefehle, die von dem Positionsregler 208 an den Motor 206 geliefert werden. Bevor weiter fortgefahren wird, wird angemerkt, dass der Umgebungstemperatursensor 208 irgendeiner von zahlreichen Arten von Temperatursensoren sein kann, einschließlich zum Beispiel ein WTD (Widerstandstemperaturdetektor), ein Thermoelement oder ein optischer Temperatursensor, um nur einige zu nennen. Der Temperatursensor 208 kann außerdem in irgendeiner von zahlreichen Anordnungen und in irgendeiner von zahlreichen Einbauarten angeordnet werden. Vorzugsweise jedoch wird der Umgebungstemperatursensor 208 ausreichend nahe am Motor 206 angeordnet, so dass das Temperatursignal, das er liefert, die Umgebungstemperatur um den Motor 206 darstellt. Eine beispielhafte Lage ist auf der Schaltplatte (nicht dargestellt) des Stellgliedreglers 126, der an den jeweiligen Stellgliedmotor 206 angeschlossen wird.
Unter jetziger Zuwendung zur Beschreibung berechnet der Temperaturregler 204, der auf das Umgebungstemperatursignal (T_A) und auf die leistungsbegrenzten Motorsteuerbefehle antwortet, die momentane Verlustleistung des Motors 206 und bestimmt unter Verwendung eines thermischen Modells des Motors 206 die maximale Leistung, die der Motor 206 abführen kann, ohne eine vorgegebene maximale Motortemperatur (T_MAX) in einer vorgegebenen Zeitspanne (τ) zu überschreiten. Der Temperaturregler 204 bestimmt anschließend die Grenzen der Motorverlustleistung (P_{VERLUST_GR}), die der bestimmten maximalen Motorverlustleistung entsprechen, und liefert diese Grenzen (P_{VERLUST_GR}) an den Positionsregler 202. Es wird angemerkt, dass die vorgegebene maximale Motortemperatur (T_MAX) eine herstellerspezifische Temperatur ist, die der maximalen Temperatur entspricht, die der Motor 206 und insbesondere die Rotorwicklungen in dem Motor 206 ohne Überhitzen erreichen können. Es wird weiterhin angemerkt, dass die vorgegebene Zeitspanne (τ) ein Auslegungsparameter ist, der als Korrekturfaktor des Temperaturreglers 204 eingesetzt wird, welcher unten ausführlicher beschrie ben wird. Der bestimmte Wert der vorgegebenen Zeitspanne, die gewählt wird, kann variieren, um die gewünschte Leistung und Antworteigenschaften zu erfüllen. Zum Beispiel würde ein relativ großer Wert ergeben, dass die Motorleistung für eine relativ lange Zeit schrittweise begrenzt wird, bevor die Motortemperatur das Maximum (T_MAX) erreicht, während ein relativ kleiner Wert erlauben würde, dass die Motortemperatur näher an das Maximum (T_MAX) herankommt, bevor die Leistungsbegrenzung (die unten ausführlicher beschrieben wird) eingesetzt wird.
Unter Bezugnahme auf 3 sind ausführlichere, funktionelle Blockschaltbilder des Positionsreglers 202 und des Temperaturreglers 204 dargestellt und werden beschrieben. Der Positionsregler 202, wie oben erwähnt, kann eingesetzt werden, indem irgendeiner von zahlreichen herkömmlichen Positionsreglern verwendet wird, und er kann von System zu System variieren. Somit ist in der dargestellten Ausführungsform der Positionsregler 202 dargestellt, dass er eine herkömmliche Vergleicher-Funktion 302, eine herkömmliche Motorübertragungsfunktion (G) 304 und eine herkömmliche Rückmeldungsübertragungsfunktion (H) 306 einsetzt. Eine ausführliche Beschreibung dieser Teile des Positionsreglers 202 ist nicht notwendig, um die vorliegende Erfindung zu ermöglichen oder vollständig zu beschreiben, und sie wird als solche nicht weiter beschrieben werden. Anders jedoch als die meisten herkömmlichen Positionsregler schließt der dargestellte Positionsregler 202 zusätzlich eine Begrenzerlogik 308 ein.
Die Begrenzerlogik 308 begrenzt die Motorsteuerbefehle, die von der Motorübertragungsfunktion (G) 304 geliefert werden, auf Werte innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs und liefert somit die leistungsbegrenzten Motorsteuerbefehle an den Motor 206. Insbesondere begrenzt die Begrenzerlogik 308 nicht die Motorsteuerbefehle, die von der Motorübertragungsfunktion (G) 304 geliefert werden, wenn die Motorsteuerbefehle zwischen den Motorsteuerbefehlsgrenzen 312, 314 liegen, die innerhalb der Begrenzerlogik 308 eingestellt sind. Wenn aber die Motorübertragungsfunktion (G) 304 Motorsteuerbefehle liefert, die nicht zwischen den Motorsteuerbefehlsgrenzen 312, 314 liegen, dann wird die Begrenzerlogik 308 die Motorsteuerbefehle entsprechend der spezifischen Motorsteuerbefehlsgrenze 312, 314, die gerade überschritten wird, einstellen. Wie 3 dar stellt sind die Motorsteuerbefehlsgrenzen 312, 314, bezogen auf die Motorverlustleistungsgrenzen (P_{VERLUST_GR}) eingestellt, die vom Temperaturregler 204 geliefert werden.
Der Temperaturregler 204 schließt eine Funktion zur Bestimmung der Motorleistung 316, ein thermisches Modell 318 und eine Funktion zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze 322 ein. Die Funktion zur Bestimmung der Motorleistung 316 empfängt die leistungsbegrenzten Motorsteuerbefehle, die an den Motor 206 geliefert werden. Der Schaltkreis 316 zur Bestimmung der Motorleistung, der auf die leistungsbegrenzten Motorsteuerbefehle antwortet, bestimmt die momentane Leistung, die der Motor 206 gerade abführt, als Antwort auf die leistungsbegrenzten Motorsteuerbefehle und liefert ein Motorverlustleistungssignal (P_{MOTOR_VERLUST}), das diese darstellt, an das thermische Modell 318.
Das thermische Modell 318 empfängt das Motorverlustleistungssignal (P_{MOTOR_VERLUST}) und das Umgebungstemperatursignal (T_A) und berechnet als Antwort darauf die Temperaturen der Motorwicklungen (T_W) und des Motorgehäuses (T_H) und liefert Temperatursignale, die diese darstellen, an die Funktion 322 zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze. Um diese Funktionalität auszuführen, kombiniert das thermische Modell 318 verschiedene Motorparameter, die vom Motorhersteller festgelegt sind, zu einem entsprechenden elektrischen Schaltkreis. Eine beispielhafte Ausführungsform des entsprechenden elektrischen Schaltkreises 400 ist in 4 dargestellt, und, wie dort gezeigt ist, schließen die Motorparameter, die verwendet werden um einen entsprechenden Schaltkreis 400 auszuführen die thermische Kapazität der Motorwicklungen (C_W), die thermische Kapazität des Motorgehäuses (C_H), den thermischen Widerstand von den Motorwicklungen zur Motorgehäuse (R_WH) und den thermischen Widerstand des Motorgehäuses zur Umgebung (R_HA) ein. Es wird verstanden, dass in einigen Ausführungsformen des Motors 206, abhängig von der besonderen physikalischen Ausführung des Motors 206, die thermische Kapazität (C_H) und der thermische Widerstand (C_WH), die zum Motorgehäuse gehören, vernachlässigt werden können und daher nicht in das thermische Modell 400 eingeschlossen werden können. Außerdem können in einigen Ausführungsformen Temperaturen von anderen Motorkompo nenten berechnet werden und entsprechende Parameter davon in das thermische Modell 318 eingeschlossen werden.
Das thermische Modell 318, das das dargestellte entsprechende Schaltkreismodell 400 verwendet, berechnet fortlaufend die Motorwicklungstemperatur (T_W) und die Motorgehäusetemperatur (T_H) durch numerische Integration der folgenden Diffentialgleichungen:
Es wird angemerkt, dass die einzelnen Anfangswerte für die Motorwicklungstemperatur (T_W) und für die Motorgehäusetemperatur (T_H) vorzugsweise beim Einschalten entweder auf die derzeitige Umgebungstemperatur (T_A) oder auf die entsprechenden Temperaturwerte (T_W, T_H), die kurz vor dem Motor- oder Systemabschalten berechnet wurden, je nach dem, welcher größer ist, eingestellt wurden. Dabei wird eine konservative Schätzung der internen Motortemperaturen abgegeben, die den Motorüberhitzungsschutz entweder nach einer kurzen Betriebsunterbrechung oder nach einer langen Ausschaltzeit sicherstellt. Es wird außerdem angemerkt, dass die Werte der Motorwicklungstemperatur (T_W) und der Motorgehäusetemperatur (T_H) beim Ausschalten vorzugsweise in einem Permanentspeicher 324 (siehe 3) vor dem Ausschalten gespeichert werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 bestimmt die Funktion 322 zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze, die auf die Motorwicklungstemperatur- und die Motorgehäusetemperatursignale (T_H) antwortet, die maximale Leistung (P_{MAX_VERLUST}), die der Motor 206 abführen kann ohne die vorgegebene maximale Motortemperatur (T_MAX) in einer vorgegebenen Zeitspanne zu überschreiten. Die Funktion 322 zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze bestimmt außerdem die Motorverlustleistungsgrenzen (P_{VERLUST_GR}), die der bestimmten maximalen Motorverlustleistung (P_{MAX_VERLUST}) entspricht. Die Funktion 322 zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze liefert anschließend die Verlustleistungsgrenzen (P_{VERLUST_GR}) an die Begrenzerlogik 308, welche die Begrenzerlogik 318 verwendet, um die Motorsteuerbefehlsgrenzen 312, 314 einzustellen.
Der Temperaturregler 204, der in 3 dargestellt und oben beschrieben ist, kann eingesetzt werden, indem einer von zahlreichen Algorithmen, Schaltkreisen, Komponenten und irgendeine von zahlreichen Anordnungen davon verwendet werden kann. Die besondere Ausführung kann variieren, abhängig zum Beispiel von der Art, in der die Motorsteuerbefehle eingesetzt werden. Zum Beispiel sind in der dargestellten Ausführungsform die Motorsteuerbefehle, wie oben angemerkt, als veränderliche Arbeitszyklus-PWM-Signale eingesetzt, die den durchschnittlichen Strom regeln, der an den Motor 206 geliefert wird. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Temperaturreglers 204 zur Verwendung in einem System, das veränderliche Arbeitszyklus-PWM-Signale liefert, ist ausführlicher in 5 dargestellt und wird nun beschrieben.
In dem Temperaturregler 204, der in 5 dargestellt ist, schließt die Funktion 316 zur Bestimmung der Motorleistung eine mathematische Quadrierfunktion 502 und eine Multiplizierfunktion 504 ein. Die mathematische Quadrierfunktion 502 empfängt die leistungsbegrenzten Motorsteuerbefehle, welche als veränderliche durchschnittliche Stromsignale (I_d) ausgeführt sind, die an den Motor 206 geliefert werden und quadriert mathematisch den durchschnittlichen Motorstrom (I 2 / d). Der quadrierte durchschnittliche Motorstrom (I 2 / d) wird an die Multiplizierfunktion 504 geliefert, welche den quadrierten durchschnittlichen Motorstrom mathematisch mit dem Motorwicklungswiderstand (R_W) multipliziert, welcher ein weiterer vom Hersteller vorgegebener Parameter ist, um dadurch die momentane Motorverlustleistung zu bestimmen (z.B. P = I 2 / d R_W ) und das Motorverlustleistungssignal (P_{MOTOR_VERLUST}) zu liefern.
Das thermische Modell 318, das die oben beschrieben Methodik ausführt, empfängt das Motorverlustleistungssignal (P_{MOTOR_VERLUST}) und das Umgebungstemperatursignal (T_A), berechnet die Motorwicklungstemperatur (T_W) und die Mo torgehäusetemperatur (T_H) und liefert Signale, die diese darstellen, an die Funktion 322 zur Bestimmung der Positionsbefehlsgrenze. Die Funktion 322 zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze schließt zwei Subtrahierfunktionen 506, 508, zwei Multiplizierfunktionen 512, 514 und eine Addierfunktion 516 ein. Diese Funktionen sind festgelegt um die folgende Gleichung auszuführen:
Die Gleichung berechnet die maximale Motorverlustleistung (P_{MAX_VERLUST}), die einen Temperaturbetrag erzeugen würde, der verhindern würde, dass die Temperatur des Motors 206 die vorgegebene maximale Motortemperatur (T_MAX) in der vorgegebenen Zeitspanne (τ) überschreitet.
Wie 5 zusätzlich zeigt, schließt die Funktion 322 zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze auch eine dritte und vierte Multiplizierfunktion 518, 522 und eine Quadratwurzelfunktion 524 ein. Die dritte Multiplizierfunktion 518 multipliziert das Maximum der Motorverlustleistung mit dem Kehrwert des Motorwicklungswiderstands (R_W) mathematisch, um das Quadrat des maximalen durchschnittlichen Stroms
zu bestimmen. Das Quadrat des maximalen durchschnittlichen Stroms wird an die Quadratwurzelfunktion 524 geliefert, welche den maximalen durchschnittlichen positiven Strom (I_{max_d}) bestimmt, der die maximale Motorverlustleistung (P_{MAX_VERLUST}) erzeugen wird. Die vierte Multiplizierfunktion 522 multipliziert mathematisch den maximalen durchschnittlichen Strom mit einer negativen Eins (–1), um den maximalen durchschnittlichen negativen Strom (-I_{max_d}) zu erhalten, der die maximale Motorverlustleistung (P_{MAX_VERLUST}) erzeugen wird. Weil die Motorsteuerbefehle mindestens in der dargestellten Ausführungsform als veränderliche Arbeitszyklus-PWM-Signale ausgeführt werden, stellen der maximale positive Strom und der maximale negative Strom (I_{max_d},-I_{max_d}) die Motorverlustleistungsgrenzen (P_{VERLUST_GR}) dar, die an den Positionsregler 202 geliefert werden, und welche verwendet werden, um die Motorsteuerbefehlsgrenzen 312, 314 in der Begrenzerlogik 308 einzustellen.
Aus der obigen Beschreibung und der Ausführung, die in 5 dargestellt ist, kann man erkennen, dass, wenn die Temperatur des Motors 206 nicht nahe der maximalen Temperatur (T_MAX) liegt, eine thermische Begrenzung nicht notwendig ist, und der Positionsregler 202 den Betrieb des Motors 206 regelt. Wenn jedoch die Motortemperatur sich der maximalen Temperatur (T_MAX) nähert, wird der Absolutwert des Motorstroms gleich dem maximalen durchschnittlichen Strom (I_{max_avg}), und der Temperaturregler 204 regelt den Betrieb des Motors 206, um dadurch die Motortemperatur zu begrenzen.
Während zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorangegangenen ausführlichen Beschreibung der Erfindung dargestellt worden ist, sollte es verstanden werden, dass eine groß Anzahl von Variationen existiert. Es sollte auch verstanden werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder beispielhafte Ausführungsformen nur Beispiele sind, und dass es nicht beabsichtigt ist, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder die Anordnung der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr wird die vorangegangene ausführliche Beschreibung dem Fachmann einen einfachen Plan zur Ausführung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zur Verfügung stellen. Es wird verstanden, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und der Anordnung der Elemente gemacht werden können, die in einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben worden sind, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie in den angehängten Ansprüchen angegeben wird.

Claims

Verfahren zur Begrenzung der Motortemperatur auf einen vorgegebenen maximalen Temperaturwert durch Begrenzung der Motorverlustleistung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Messen der Umgebungstemperatur nahe dem Motor; Bestimmen der Motorverlustleistung; Schätzen der Motorwicklungstemperatur, bezogen auf die gemessene Umgebungstemperatur und die bestimmte Motorverlustleistung; Bestimmen einer maximalen Motorverlustleistung, die die Motortemperatur bis auf den vorgegebenen maximalen Temperaturwert innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne, bezogen auf die geschätzte Wicklungstemperatur, anheben würde; und Beschränken der Motorverlustleistung auf einen Wert, der unterhalb der bestimmten maximalen Verlustleistung liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin umfasst: Schätzen der Motorgehäusetemperatur, bezogen auf die gemessene Umgebungstemperatur und die bestimmte Motorverlustleistung; und Bestimmen der maximalen Motorverlustleistung, bezogen auf die geschätzte Wicklungstemperatur und die geschätzte Gehäusetemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin umfasst: Voreinstellen der Motorwicklungstemperatur auf eine vorgegebene Motorwicklungstemperatur vor einer anfänglichen Bestimmung der maximalen Verlustleistung; und Speichern einer Motorwicklungstemperatur vor dem Abschalten, die einer geschätzten Motorwicklungstemperatur direkt vor einem Motorabschaltvorgang entspricht, wobei die vorgegebene Motorwicklungstemperatur größer ist als die gespeicherte Rotorwicklungstemperatur vor dem Abschalten und als die gemessene Umgebungstemperatur während des Einschaltens.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin umfasst: Empfangen eines Motorsteuerbefehls; Bestimmen einer angewiesenen Größe des Motorstroms, bezogen auf den Motorsteuerbefehl; Bestimmen einer maximalen Größe des Motorstroms, bezogen auf die maximale Verlustleistung; Vergleichen der vorbestimmten maximalen Größe des Motorstroms mit der angewiesenen Größe des Motorstroms, um zu bestimmen, welche Größe des Motorstroms einen größeren Wert besitzt; und Beschränken der Größe des an den Motor gelieferten Motorstroms auf die Motorstromgröße, die als größerer Wert bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: die Motorwicklungstemperatur und die Motorgehäusetemperatur geschätzt werden, indem ein thermisches Modell des Motors verwendet wird; die Motorwicklungstemperatur geschätzt wird, indem die folgende Gleichung die vom thermischen Modell abgeleitet ist, numerisch integriert wird (318):
in der: T_W = Wicklungstemperatur T_H = Gehäusetemperatur P = Verlustleistung T_A = gemessene Umgebungstemperatur C_W = thermische Kapazität der Wicklung C_H = thermische Kapazität des Gehäuses R_WH = thermischer Widerstand von Wicklung zu Gehäuse R_HA = thermischer Widerstand vom Gehäuse zur Umgebung; und die Motorgehäusetemperatur geschätzt wird, indem die folgende Gleichung, die vom thermischen Modell abgeleitet ist, numerisch integriert wird:
in der: T_W = Wicklungstemperatur T_H = Gehäusetemperatur P = Verlustleistung T_A = gemessene Umgebungstemperatur C_W = thermische Kapazität der Wicklung C_H = thermische Kapazität des Gehäuses R_WH= thermischer Widerstand von Wicklung zu Gehäuse R_HA = thermischer Widerstand vom Gehäuse zur Umgebung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt des Bestimmens der Motorverlustleistung umfasst: Messen des Motorstroms, der an den Motor geliefert wird, und Berechnen der Motorverlustleistung aus dem gemessenen Motorstrom; die Motorverlustleistung begrenzt ist durch das Begrenzen des Motorstroms auf eine Größe, die verhindert, dass die Motorverlustleistung eine bestimmte maximale Verlustleistung überschreitet; und der Motorstrom begrenzt ist durch ein Regeln des Arbeitszyklusses eines pulsweitenmodulierten Befehlsignals, das an den Motor geliefert wird.
System zur Begrenzung der Motortemperatur, welches umfasst: einen Umgebungstemperatursensor (208), der geeignet ist, die Umgebungstemperatur in der Nähe des Motors zu messen und ein Umgebungstemperatursignal zu liefern, das diese darstellt; ein Mittel (316) zur Bestimmung der Motorverlustleistung, das auf Motorsteuerbefehle reagiert, um ein Motorverlustleistungssignal zu liefern, das die Motorverlustleistung darstellt; ein Mittel (318) eines thermischen Modells, das auf das Umgebungstemperatursignal und das Motorverlustleistungssignal reagiert, um (i) die Motorwicklungstemperatur zu schätzen und (ii) ein Motorwicklungstemperatursignal zu liefern, das dieses darstellt; ein Mittel (322) zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze, das auf das Motorwicklungstemperatursignal reagiert, um (i) die maximale Motorleistung zu bestimmen, die, wenn sie an den Motor geliefert wird, die Motortemperatur über einen vorgegebenen maximalen Temperaturwert innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne anheben würde und um (ii) ein Motorverlustleistungsbegrenzungssignal, das diese darstellt, zu liefern; und ein Begrenzermittel (308), das auf das Signal zur Bestimmung der Motorverlustleistung reagiert, um die Motorsteuerbefehle, die an den Motor geliefert werden, bezogen auf das bestimmte Motorverlustleistungsbegrenzungssignal, zu begrenzen.
System nach Anspruch 7, wobei: das Mittel des thermischen Modells weiterhin auf das Umgebungstemperatursignal und das Motorverlustleistungssignal reagiert, um (i) die Motorgehäusetemperatur zu schätzen und (ii) ein Motorgehäusetemperatursignal zu liefern, das diese darstellt; und ein Mittel zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze, das weiterhin auf das Motorgehäusetemperatursignal reagiert, um die maximale Motorleistung zu bestimmen.
System nach Anspruch 7, wobei das Mittel zur Bestimmung der Verlustleistungsgrenze ein Mittel (506, 512, 514) zur Bestimmung der maximalen Leistungsgrenze einschließt, das auf das Motorwicklungstemperatursignal reagiert, um (i) die maximale Motorverlustleistung zu bestimmen, die die Motortemperatur bis auf den vorgegebenen maximalen Temperaturwert in der vorgegebenen Zeitspanne anheben würde und um (ii) das maximale Motorverlustleistungssignal zu liefern, das diese darstellt; und das Mittel zur Bestimmung der maximalen Motorverlustleistung das Motorverlustleistungsbegrenzungssignal, bezogen auf das bestimmte Maximum der Motorverlustleistung, liefert.
System nach Anspruch 7, welches weiterhin umfasst: ein Mittel (324) zum Speichern der geschätzten Motorwicklungstemperatur während eines Motorabschaltvorgangs, wobei das Mittel des thermischen Modells die vorgegebene Motorwicklungstemperatur auf die größere der geschätzten Rotorwicklungstemperatur und der gemessenen Umgebungstemperatur während des Motoreinschaltvorgangs voreinstellt, das Mittel zur Bestimmung der Motorverlustleistung den Motorstrom, der an den Motor geliefert wird, misst und die Motorverlustleistung aus dem gemessenen Motorstrom berechnet, und das Begrenzermittel den Motorstrom auf eine Größe begrenzt, die verhindert, dass die Motorverlustleistung eine maximale Motorverlustleistung übersteigt.