WO2018171832A1 - Verfahren zur erkennung eines kurzschlusses einer endstufe eines elektromotors, vorzugsweise eines elektrisch kommutierten elektromotors - Google Patents

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    • H02P29/032Preventing damage to the motor, e.g. setting individual current limits for different drive conditions

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a short circuit of an output stage of an electric motor, preferably an electrically commutated electric motor, in which the output stage of the electric motor is driven and a short circuit is detected when a measured short-circuit current exceeds a threshold value.
  • a fixed threshold value is compared with a current short-circuit current, wherein the threshold value is above the maximum peak current value of the electric motor. Due to the system, the threshold value is subject to component and system state-dependent tolerances, so that the real threshold value can be significantly higher. If this is the case, damage to the electric motor system is easily possible.
  • the invention has for its object to provide a method for detecting a short circuit of an output stage of an electric motor, in which a short circuit is reliably detected by simple means.
  • the object is achieved in that the threshold value varies depending on an operating state of the electric motor. This has the advantage that even low-frequency short circuits can be detected.
  • the threshold value can be reduced accordingly, which allows a reliable short-circuit detection of the final stage of the electric motor.
  • a control unit from which the output stage is driven, and the windings of the electric motor includes.
  • a first threshold value for a first operating state, in which the electric motor is in operation, and a second threshold value for a second operating state, in which the electric motor is inactive, are provided, wherein the first threshold value is greater than the second threshold value.
  • the second threshold value corresponds to approximately one third of the first threshold value.
  • the short circuit threshold can thus be significantly reduced, which is why a creeping short circuit can be detected very early and the final stage of the electric motor is turned off, whereby the electric motor system can be protected from damage.
  • the second operating state is set so that in the state of non-energization of the electric motor, the phases of the electric motor are switched in phase opposition, without an electric motor current flows. Since no motor current of the electric motor flows in this circuit, the short-circuit current can be reliably detected.
  • the phases alternately between a battery plus and
  • a simple and uncritical state for the detection of a short circuit of the output stage is realized when the short circuit detection in an electric motor, which is part of a built-in motor vehicle clutch actuator, takes place after switching on an ignition of the motor vehicle. In the state "ignition on” of the motor vehicle, no motor current of the electric motor flows since speed and motor voltage are zero.
  • the short circuit detection is performed during an initialization phase of a control unit. This ensures that it is ensured before each start-up of the electric motor that there is no short-circuit.
  • the short circuit detection is performed after detection of a short circuit in the first operating state of the electric motor for plausibility. As a result, the preceding short-circuit detection is safeguarded, and thus the safety in the electric motor is increased.
  • the output stage of the electric motor is switched off and then performed a plausibility check with the lowered second threshold value for plausibility.
  • the subsequent confirmation measurement which is carried out as with "ignition on”, makes it easy to confirm the short-circuit detection obtained in the normal operating state of the electric motor.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an engine control system
  • Fig. 2 shows an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 an embodiment of an engine control system 1 of an EC motor 2 is shown, as used for example for driving a clutch actuator of a Kupplungsbetuschi- supply system in a motor vehicle.
  • the EC motor 2 is an electronically controlled motor or an electronically commutated DC motor.
  • the EC motor 2 comprises three phases 3, 4, 5, which are connected to an output stage 6, which is arranged in a control unit 7.
  • the output stage 6 is placed on a printed circuit board 8 in the control unit 7, wherein the three phases 3, 4, 5 are guided through an opening 9 in the circuit board 8 and are connected to the output stage 6.
  • the output stage 6, which contains power semiconductors not shown, is controlled by a microprocessor 10.
  • a short circuit path also includes the supply line and the control unit 7.
  • FIG. 2 An exemplary embodiment of the method according to the invention for detecting even low-resistance short circuits is shown in FIG. 2, where a short-circuit current is shown over time.
  • the output stage 6 of the EC motor 2 so that the EC motor 2 at a voltage Uiwotor of 0 volts and a speed n motor of zero is inactive and no motor current I motor of the EC motor flows.
  • the phases 3, 4, 5 of the EC motor 2 are driven in phase opposition by the output stage 6, in that they are switched between battery plus and ground.
  • the short-circuit detection KE is activated, in which the measured short-circuit current is compared with the lowered second threshold of 23A. This measuring phase lasts about 15 ms. If the measured short-circuit current exceeds the second threshold value of 23 A, the output stage 6 is switched off. If the measured short-circuit current remains below the second threshold value of 23A, the first threshold value for the short-circuit current of 70 A for the short-circuit detection KE is set by the microprocessor 10 and, after reaching the raised threshold value of 70 A, the EC motor 2 is set in the normal operating state which also a motor current I motor flows.
  • a short-circuit detection is also carried out at predetermined intervals, in which the current short-circuit current is compared with the higher threshold value of 70 A. If the currently measured short-circuit current exceeds the first threshold value of 70 A, the output stage 6 is likewise switched off. For plausibility of the short circuit detection in the normal operating state of the EC motor 2, the power amplifier 6 is then energized once again, with the EC motor 2 held in inactive mode and the lower second
  • Threshold of 23 A in the short-circuit current comparison by the microprocessor 10 is set. If the lower second threshold value is exceeded by the measured short-circuit current, the short circuit detected in the normal operation of the EC motor 2 is confirmed and the output stage 6 remains switched off.
  • the method described can be used for single-couplings. In situations where the clutch is not energized, eg inactive clutches of dual clutch systems, these methods can also be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors, vorzugsweise eines elektrisch kommutierten Elektromotors, bei welchem die Endstufe (6) des Elektromotors (2) angesteuert wird und ein Kurzschlusses detektiert wird, wenn ein gemessener Kurzschlussstrom einen Schwellwert überschreitet. Bei einem Verfahren, bei welchen ein Kurzschluss zuverlässig erkannt wird, variiert der Schwellwert in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Elektromotors (2).

Description

Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors, vorzugsweise eines elektrisch kommutierten Elektromotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors, vorzugsweise eines elektrisch kommutierten Elektromotors, bei welchem die Endstufe des Elektromotors angesteuert wird und ein Kurzschlusses detektiert wird, wenn ein gemessener Kurzschlussstrom einen Schwellwert überschreitet.
Aus der EP 0711 466 B1 ist eine Anordnung zur Kurzschlussstrombegrenzung auf einer elektrischen Energieübertragungsleitung bekannt, bei welchem eine Fehlererfassungseinrichtung über geeignete Messfühler verfügt, um den Ort und/oder die Richtung des Kurzschlusses festzustellen und ein entsprechendes Fehlersignal an eine Steuereinrichtung auszugeben. Die DE 197 39 551 A1 offenbart eine Kurzschlussstrombegrenzung für eine Stromrichterschaltung, bei welcher ein Kurzschlussstrom von Leistungshalbleitern abgeschaltet wird.
Gemäß der DE 10 2007 039 855 A1 sind ein Verfahren und eine Schaltung zum Bestimmen des maximalen, von einem Elektromotor aufgenommenen Stromes bekannt, bei welchem die an einem Messwiderstand in einer Versorgungsstromleitung des Elektromotors abfallende Spannung kontinuierlich detektiert wird.
Darüber hinaus ist es bekannt, dass zur Kurzschlusserkennung eines elektrisch kommutierten Elektromotors ein fester Schwellwert mit einem aktuellen Kurzschlussstrom verglichen wird, wobei der Schwellwert oberhalb des maximalen Spitzenstromwertes des Elektromotors liegt. Systembedingt ist der Schwellwert mit bauteil- und systemzustandsabhängigen Toleranzen behaftet, so dass der reale Schwellwert wesentlich höher liegen kann. Ist dies der Fall, ist eine Beschädigung des Elektromotorsystems einfach möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors anzugeben, bei welchem ein Kurzschluss zuverlässig mit einfachen Mitteln erkannt wird. Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Schwellwert in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Elektromotors variiert. Dies hat den Vorteil, dass auch niederoh- mige Kurzschlüsse erkannt werden können. Insbesondere zur Erkennung eines Phasenkurzschlusses kann der Schwellwert entsprechend verringert werden, was eine zuverlässige Kurz- Schlusserkennung der Endstufe des Elektromotors ermöglicht. Bei einer solchen Phasenkurz- schlusserkennung werden auch die Zuleitung, ein Steuergerät, von welchem die Endstufe angesteuert wird, und die Wicklungen des Elektromotors umfasst.
Vorteilhafterweise werden ein erster Schwellwert für einen ersten Betriebszustand, in welchem der Elektromotor im Betrieb ist, und ein zweiter Schwellwert für einen zweiten Be- triebszustand, in welchem der Elektromotor inaktiv ist, vorgesehen, wobei der erster Schwellwert größer ist als der zweite Schwellwert. Insbesondere Situationen, wo eine Erwärmung das Elektromotorsystem hochohmiger werden lässt und sich der Kurzschlussstrom verringern kann, werden zuverlässig erfasst.
In einer Ausgestaltung entspricht der zweite Schwellwert etwa einem Drittel des ersten Schwellwertes. Der Kurzschlussschwellwert kann somit deutlich abgesenkt werden, weshalb ein schleichender Kurzschluss schon sehr frühzeitig erkannt werden kann und die Endstufe des Elektromotors abgeschaltet wird, wodurch das Elektromotorsystem vor Beschädigungen bewahrt werden kann.
In einer Variante wird der zweite Betriebszustand so eingestellt, dass im Zustand einer Nicht- Bestromung des Elektromotors die Phasen des Elektromotors gegenphasig geschaltet werden, ohne dass ein Elektromotorstrom fließt. Da bei dieser Beschaltung kein Motorstrom des Elektromotors fließt, kann der Kurzschlussstrom zuverlässig detektiert werden.
In einer Ausführungsform werden im zweiten Betriebszustand bei Nicht-Bestromung des Elektromotors, bei welcher am Elektromotor eine Spannung von 0 V anliegt und eine Drehzahl des Elektromotors 0 beträgt, die Phasen wechselweise zwischen einem Batterieplus und
Masse geschaltet. Somit wird zwar die Endstufe geschaltet, der Elektromotor bleibt aber inaktiv.
Ein einfacher und unkritischer Zustand für die Erkennung eines Kurzschlusses der Endstufe wird realisiert, wenn die Kurzschlusserkennung bei einem Elektromotor, der Bestandteil eines in einem Kraftfahrzeug verbauten Kupplungsaktors ist, nach Einschaltung einer Zündung des Kraftfahrzeuges erfolgt. In dem Zustand„Zündung ein" des Kraftfahrzeuges fließt noch kein Motorstrom des Elektromotors, da Drehzahl und Motorspannung null betragen.
Vorteilhafterweise wird die Kurzschlusserkennung während einer Initialisierungsphase eines Steuergerätes ausgeführt. Damit wird sichergestellt, dass vor jeder Inbetriebnahme des Elekt- romotors abgesichert ist, dass kein Kurzschluss vorliegt. In einer Alternative wird die Kurzschlusserkennung nach Erkennung eines Kurzschlusses im ersten Betriebszustand des Elektromotors zur Plausibilisierung durchgeführt. Dadurch wird die vorhergehende Kurzschlusserkennung abgesichert und somit die Sicherheit in dem E I ektro m otorsy ste m g ewä h rl e i stet.
In einer Ausgestaltung wird nach der Erkennung des Kurzschlusses im ersten Betriebszustand die Endstufe des Elektromotors abgeschaltet und anschließend zur Plausibilisierung eine Bestätigungsmessung mit dem abgesenkten zweiten Schwellwert durchgeführt. Durch die sich anschließende Bestätigungsmessung, die wie nach„Zündung ein" ausgeführt wird, lässt sich die im normalen Betriebszustand des Elektromotors gewonnene Kurzschlussde- tektion einfach bestätigen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Motorsteuersystems,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Motorsteuersystems 1 eines EC-Motors 2 dargestellt, wie er beispielsweise zur Ansteuerung eines Kupplungsaktors eines Kupplungsbetäti- gungssystems in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Bei dem EC-Motor 2 handelt es sich um einen elektronisch gesteuerten Motor oder um einen elektronisch kommutierten Gleich- strommotor. Der EC-Motor 2 umfasst drei Phasen 3, 4, 5, welche mit einer Endstufe 6 verbunden sind, die in einem Steuergerät 7 angeordnet ist. Die Endstufe 6 ist auf einer Leiterplatte 8 im Steuergerät 7 platziert, wobei die drei Phasen 3, 4, 5 durch eine Öffnung 9 in der Leiterplatte 8 geführt sind und mit der Endstufe 6 verbunden sind. Die Endstufe 6, welche nicht weiter dargestellte Leistungshalbleiter enthält, wird von einem Mikroprozessor 10 an- gesteuert.
In dem Mikroprozessor 10 sind zwei Schwellwerte für einen Kurzschlussstrom, der an der Endstufe 6 gemessen werden kann, abgespeichert. Ein erster Schwellwert beträgt 70 A, während der zweite Schwellwert 23 A beträgt. Kurzschlüsse in dem Motorsteuersystem 1 können verschiedene Ursachen aufweisen. So können beim Einsatz im Kraftfahrzeug durch Kontakt der Phasen 3, 4, 5 des EC-Motors 2 mit Bremsflüssigkeit elektrochemische Prozesse auslöst werden, welche zu einem Kurzschluss führen. Darüber hinaus beinhaltet ein Kurzschlusspfad auch die Zuleitung und das Steuergerät 7.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung auch niede- rohmiger Kurzschlüsse ist in Fig. 2 dargestellt, wo ein Kurzschlussstrom über der Zeit ge- zeigt ist. In einer Initialisierungsphase des Steuergerätes 7 nach Einschalten der Zündung des Kraftfahrzeuges wird von dem Steuergerät 7 die Endstufe 6 des EC-Motors 2 so angesteuert, dass der EC-Motor 2 bei einer Spannung Uiwotor von 0 Volt und einer Drehzahl n Motor von Null inaktiv ist und kein Motorstrom I Motor des EC-Motors 2 fließt. In dieser Situation werden die Phasen 3, 4, 5 des EC-Motors 2 gegenphasig durch die Endstufe 6 angesteuert, in- dem diese zwischen Batterieplus und Masse geschaltet werden. Nach Einstellung des zweiten Schwellwertes von 23 A wird durch den Mikroprozessor 10 die Kurzschlusserkennung KE aktiviert, in welcher der gemessene Kurzschlussstrom mit dem abgesenkten zweiten Schwellwert von 23A verglichen wird. Diese Messphase dauert etwa 15 ms. Übersteigt der gemessene Kurzschlussstrom den zweiten Schwellwert von 23 A, wird die Endstufe 6 abge- schaltet. Bleibt der gemessene Kurzschlussstrom unter dem zweiten Schwellwert von 23A wird durch den Mikroprozessor 10 der erste Schwellwert für den Kurzschlussstrom von 70 A für die Kurzschlusserkennung KE eingestellt und nach Erreichung des angehobenen Schwellwertes von 70 A der EC-Motor 2 in dem normalen Betriebszustand versetzt, bei welchem auch ein Motorstrom I Motor fließt. In diesem normalen Betriebszustand des EC-Motors 2 wird ebenfalls in vorgegebenen Abständen eine Kurzschlusserkennung durchgeführt, bei welcher der aktuelle Kurzschlussstrom mit dem höheren Schwellwert von 70 A verglichen wird. Übersteigt der aktuell gemessene Kurzschlussstrom den ersten Schwellwert von 70 A wird die Endstufe 6 ebenfalls abgestellt. Zur Plausibilisierung der Kurzschlusserkennung im normalen Betriebszustand des EC-Motor 2 wird anschließend die Endstufe 6 noch einmal bestromt, wobei der EC-Motor 2 im inaktiven Betrieb gehalten und der niedrigere zweite
Schwellwert von 23 A beim Kurzschlussstromvergleich durch den Mikroprozessor 10 eingestellt wird. Wird der niedrigere zweite Schwellwert durch den gemessenen Kurzschlusssstrom überschritten, wird der im normalen Betrieb des EC-Motor 2 detektierte Kurzschluss bestätigt und die Endstufe 6 bleibt abgeschaltet.
Das beschriebene Verfahren lässt sich bei Einfachkupplungen einsetzen. In Situationen, in welchen die Kupplung nicht bestromt wird, z.B. inaktiven Kupplungen von Doppelkupplungssystemen, lässt sich diese Verfahren ebenfalls anwenden.
Bezugszeichenliste Motorsteuersystem
EC-Motor
Phase des Elektromotors
Phase des Elektromotors
Phase des Elektromotors
Endstufe
Steuergerät
Leiterplatte
Öffnung
Mikroprozessor
Kurzschlusserkennung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors, vorzugsweise eines elektrisch kommutierten Elektromotors, bei welchem die Endstufe (6) des Elektromotors (2) angesteuert wird und ein Kurzschlusses detektiert wird, wenn ein gemessener Kurzschlussstrom einen Schwellwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Elektromotors (2) variiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schwellwert für einen ersten Betriebszustand, in welchem der Elektromotor (2) im Betrieb ist, und ein zweiter Schwellwert für einen zweiten Betriebszustand, in welchem der Elektromotor (2) inaktiv ist, vorgesehen werden, wobei der erster Schwellwert größer ist als der zweite Schwellwert.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schwellwert etwa einem Drittel des ersten Schwellwertes entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebszustand so eingestellt wird, dass im Zustand einer Nicht-Bestromung des Elektromotors (2) die Phasen (3, 4, 5) des Elektromotors (2) gegenphasig geschaltet werden, ohne dass ein Elektromotorstrom fließt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebszustand bei Nicht-Bestromung des Elektromotors (2), bei welcher am Elektromotor (2) eine Spannung von 0 V anliegt und eine Drehzahl des Elektromotors (2) 0 beträgt, die Phasen (3, 4, 5) wechselweise zwischen einem Batterieplus und Masse geschaltet werden.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusserkennung bei einem Elektromotor (2), der Bestandteil eines in einem Kraftfahrzeug verbauten Kupplungsaktors ist, nach Einschaltung einer Zündung des Kraftfahrzeuges erfolgt.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusserkennung während einer Initialisierungsphase eines Steuergerätes (7) durchgeführt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erkennung des Kurzschlusses im ersten Betriebszustand des Elektromotors (2) eine Plausibilisierung durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erkennung des Kurzschlusses im ersten Betriebszustand die Endstufe (6) des Elektromotors (2) abgeschaltet wird und anschließend zur Plausibilisierung eine Bestätigungsmessung mit dem abgesenkten zweiten Schwellwert durchgeführt wird.
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