DE102006001915B4 - Verfahren und Anordnung zur Ermittlung von Betriebsgrößen eines EC-Motors - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Betriebsgröße eines EC-Motors (251) mit den Schritten:- Messung wenigstens einer Betriebshilfsgröße (40) zu wenigstens einem vorbestimmten Zeitpunkt tSampieinnerhalb wenigstens eines vorbestimmten Betriebszustands des EC-Motors zu mehreren vorbestimmten Zeitpunkten tSampleinnerhalb vorbestimmter, sich im Wesentlichen periodisch wiederholender Betriebszustände des EC-Motors (251);- Ermittlung der Betriebsgröße aus der gemessenen Betriebshilfsgröße (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgröße der Betriebsstrom iMot(t) des EC-Motors (251) ist, und wobei die gemessene Betriebshilfsgröße (40) ein Brückenstrom iShunt(t) ist, der über einen im Massepfad zu einer Spannungsquelle angeordneten Widerstand RShuntgemessen wird, wobei die Ermittlung der Betriebsgröße des elektrisch betriebenen Geräts aus der gemessenen Betriebshilfsgröße (40) mittels eines vorbestimmten Formfaktors kferfolgt, wobei der vorbestimmte Formfaktor kf(n,tSamle) aus der aktuellen Drehzahl n des EC-Motors und der zeitlichen Lage des Messzeitpunkts tSampleinnerhalb der vorbestimmten Kommutierungsphase i durch Berechnung und/oder aus einer Look-up Tabelle, abgeleitet wird.

Description

• Die folgende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebsgrößen eines EC-Motors, insbesondere eines EC-Motors in einem Kraftfahrzeug.
• DE 102 32 294 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung von elektromagnetischen Verlusten in einer kollektorlosen E-Maschine.
• DE 40 09 184 C2 offenbart ein Verfahren zur Unterdrückung von Stromspitzen während einer Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
• WO 02 / 019 511 A1 offenbart eine Lüfteranordnung.
• Die Erfindung wird hier in Bezug auf elektromechanische Aktoriken im Fahrzeug, insbesondere im Bereich der Getriebeaktorik und der Kupplungsaktorik beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch auf weitere elektrische Geräte, insbesondere elektrische Stellmotoren in anderen Bereichen Anwendung finden kann.
• Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb der verschiedenen elektromechanischen Aktoriken in einem Kraftfahrzeug ist es erforderlich, im laufenden Betrieb Informationen über Betriebsgrößen der Aktoriken zu erhalten. Eine besonders aussagekräftige Betriebsgröße ist der Betriebsstrom der in den Aktoriken verwendeten Elektromotoren. Mit dessen Hilfe kann die vom Aktormotor aufgenommene Leistung bestimmt werden und darüber indirekt auch die Temperatur im Elektromotor. Dies ist von besonderer Bedeutung, um den Elektromotor vor Überhitzungen zu schützen.
• Zu diesem Zweck sind in den Steuergeräten für die Aktormotoren Strommesseinrichtungen vorgesehen. Für die meisten Anwendungen der Aktoriken ist es von Bedeutung, dass die Elektromotoren zuverlässig und wartungsfrei betrieben werden können. Daher werden bevorzugt bürstenlose, d.h. elektronisch kommutierte Elektromotoren (electronically commuted, kurz EC-Motoren) eingesetzt. Bei diesen kann die verschleißanfällige Stromzuführung zum Rotor des Elektromotors über Schleifkontakte bzw. Bürsten entfallen, da für den Rotor ein oder mehrere Permanentmagneten eingesetzt werden. Die bei der Verwendung von Gleichspannung daher notwendige Umpolung der Spulen der Elektromagneten des Stators (kurz Statorspulen) erfolgt bei EC-Motoren automatisch gesteuert durch die über Hall-Sonden bestimmte Drehstellung des Rotors.
• Die Betriebsgrößenmessung bei EC-Motoren, insbesondere die Betriebsstrommessung, ist mit besonderen Problemen behaftet. Üblicherweise erfolgt die Erzeugung der Motorspannung durch Pulsweitenmodulation (PWM). Dies erlaubt die Realisierung kleinerer Motorspannungen als der Batterie- bzw. Bordnetzspannung durch schnelles Ein- und Ausschalten zweier Feldeffekttransistoren (im Folgenden kurz FETs) des gleichen Stranges der Leistungsendstufe, welche den EC-Motor ansteuert.
• Das Schaltbild eines Beispiels für eine derartige Leistungsendstufe ist in 1 dargestellt. Dabei sind die unterschiedlichen Stränge der Leistungsendstufe, welche die verschiedenen Statorspulen (auch Phasen genannt) ansteuern, mit den Bezugszeichen 10, 20 und 30 bezeichnet. Das pulsweitenmodulierte Signal (kurz PWM-Signal) zur Ansteuerung der FETs der Leistungsendstufe wechselt dabei mit einer im Wesentlichen konstanten Frequenz zwischen einer Einschalt- („ON“-Phase) und einer Ausschaltphase („OFF“-Phase). Die Frequenzen liegen typischerweise bei 20 kHz für EC-Motoren, die in elektronischen Ventilsteuerungssystemen (Elektronischer Ventiltrieb kurz EVT) bzw. bei 22 kHz bei EC-Motoren, die im Bereich elektronisch gesteuerter Schaltgetriebe zum Einsatz kommen. Dabei wird in den Strängen - jeweils entsprechend der Kommutierung zeitversetzt - in der „ON“-Phase ein Source-seitig mit der Batteriespannung verbundener sogenannter High-side-FET (in 1 M1, M3, M5) eingeschaltet und in der „OFF“-Phase ein Drain-seitig mit der Masse verbundener Low-side-FET (in 1 M2, M4, M6) im gleichen Strang eingeschaltet.
• Eine Problematik der Betriebsstrommessung ergibt sich daraus, dass daher auch die Ströme in den Statorspulen des EC-Motors, die sog. Motorstrangströme (im Beispiel der 1 mit i_A , i_B, i_C bezeichnet) mit den genannten Frequenzen im 20 kHz-Bereich zwischen hohen und niedrigen Werten schwanken. Üblicherweise erfolgt die Strommessung durch Abtastung und Digitalisierung zu bestimmten Zeitpunkten für die elektronische Weiterverarbeitung der Messwerte.
• In der Regel liegt die Frequenz, mit welcher Ströme eines EC-Motors gemessen bzw. abgetastet wird unter der Frequenz der pulsweitenmodulierten Ströme. Hieraus ergibt sich ein Aliasing-Problem. Damit der zeitliche Verlauf des Stroms aus den Abtastwerten korrekt rekonstruiert werden könnte, müsste die Mess- bzw. Abtastfrequenz mehr als doppelt so groß sein wie die höchsten Frequenzanteile des zeitlichen Stromsverlaufs. Dieses Abtasttheorem wird hier verletzt. Daher werden Frequenzanteile des zeitlichen Stromsverlaufs, die höher sind als die halbe Abtastfrequenz, als niedrigere Frequenzen interpretiert. Dies führt zur Verfälschung der Messwerte.
• Um eine Verfälschung der Strommessung durch Abtastung zu vermeiden, ist es daher erforderlich, den zeitvarianten abzutastenden Strom über einen Tiefpass zu filtern. Die Tiefpassfilterung birgt jedoch den Nachteil, dass Strommesswerte nur mit Zeitverzögerung zur Verfügung stehen. Dies bedeutet, dass der gemessene Stromwert bereits veraltet ist und nicht mehr dem aktuellen Stromwert entsprechen muss.
• Ein zusätzliches Problem bei der Messung ergibt sich aus der Kommutierung des EC-Motors. Jedes mal, wenn eine Statorspule neu kommutiert, d.h. umgepolt wird, bricht der Strom durch diese Spule kurzzeitig zusammen. Erfolgt die Messung bzw. Abtastung des Stroms nach dem Stand der Technik, wie in 4 dargestellt, kann es sein, dass die Abtastung einmal zum Zeitpunkt eines Einbruchs des Stromwerts erfolgt, wie mit dem Bezugszeichen 51 bezeichnet, bzw. zu einem anderen Zeitpunkt, wie rechts in 4 mit dem Bezugszeichen 52 bezeichnet, zu einem Zeitpunkt, zu dem der Strom nahezu auf seinen Maximalwert angestiegen ist. Dies bedeutet, dass eine wie bislang realisierte Strommessung sehr verrauschte Messwerte liefert, die mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Das entsprechende Rauschband, innerhalb dessen die Abtastwerte bei einer derartigen Strommessung liegen, ist in 4 gestrichelt berandet dargestellt.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Verfügung zu stellen, die eine genauere und sichere Ermittlung von EC-MotorBetriebsgrößen, insbesondere von Betriebsstrommessungen für EC-Motoren erlauben.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Anordnung ist Gegenstand von Anspruch 9.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Betriebsgröße eines EC-Motors wird in einem Schritt wenigstens eine Betriebshilfsgröße zu wenigstens einem vorbestimmten Zeitpunkt t_Sample innerhalb wenigstens eines vorbestimmten Betriebszustands gemessen. Bevorzugt wird die Betriebshilfsgröße zu mehreren vorbestimmten Zeitpunkten t_Sample innerhalb vorbestimmter, sich im Wesentlichen periodisch wiederholender Betriebszustände gemessen. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Betriebsgröße aus der gemessenen Betriebshilfsgröße ermittelt.
• Erfindungsgemäß ist die ermittelte Betriebsgröße der Betriebsstrom i_Mot(t) des EC-Motors. Der vorbestimmte Betriebszustand ist bevorzugt eine vorbestimmte Kommutierungsphase i des EC-Motors. Als Kommutierungsphase wird ein bestimmter Bestromungszustand der Statorspulen des EC-Motors (auch Stränge/Phasen genannt) verstanden. Dieser ergibt sich dadurch aus einem bestimmten Schaltzustand der den EC-Motor ansteuernden Leistungsendstufe, dass verschiedene Kombinationen von jeweils zwei FETs durchschalten, wodurch die verschiedenen Statorspulen in unterschiedlichen Kombinationen mit dem positiven bzw. dem negativen Pol der Batteriespannungsquelle verbunden werden. In den 9a-9l sind für ein Beispiel mit dreiphasigem EC-Motor die zwölf verschiedenen Schaltzustände der Leistungsendstufe sowie die daraus resultierenden Kommutierungsphasen i ∈ [1..12] dargestellt.
• Als Betriebsstrom i_Mot(t) (auch Motorstrom genannt) wird im Rahmen der Erfindung der arithmetische Mittelwert der Betragssumme der Motorstrangströme durch die Statorspulen des EC-Motors verstanden. Bei einem dreiphasigen bzw. -strängigen EC-Motor gilt damit für den zeitabhängigen Betriebsstrom (vgl. 1): $$i_{Mot}\left(t\right)=\frac{1}{2}\cdot \left(\left|i_A\left(t\right)\right|+\left|i_B\left(t\right)\right|+\left|i_C\left(t\right)\right|\right).$$

  

  Bei der gemessenen Betriebshilfsgröße handelt es sich erfindungsgemäß um den Brückenstrom i_Shunt(t). Als Brückenstrom wird im Rahmen der Erfindung der von bzw. zu der Batteriespannungsquelle fließende Versorgungsstrom in der Zuleitung bzw. Ableitung zu bzw. von den Motorsträngen verstanden (vgl. 1). Bevorzugt wird der Brückenstrom über einen im Massepfad zur Batteriespannungsquelle angeordneten Widerstand R_Shunt gemessen. Die Batteriespannung U_Bat ist bevorzugt durch vorgeschaltete Filterelemente wie eine in Reihe dazu geschalte Glättungsspule L_Glättung und wiederum dazu parallelgeschalteten Glättungskondensator C_Puffer gesiebt.
• Um erfindungsgemäß auf die Messung der einzelnen Motorstrangströme, d.h. im Beispiel in 1 insgesamt drei Strommessungen pro Motor, verzichten zu können, kann in erster Näherung durch eine Messung des Brückenstroms i_Shunt(t) auf den Motorstrom i_Mot(t) zurück geschlossen werden. Dies ist möglich, da das Verhältnis von Brückenstrom i_Shunt(t) zu Motorstrom i_Mot (t) zumindest zu gewissen Zeitpunkten während einer Umdrehung des EC-Motors in erster Näherung dem Tastverhältnis PWM der Motorspannung entspricht, d.h. es gilt die Näherung: $$\frac{I_{Shunt}}{I_{Mot}}\approx PWM.$$

  
• Bei einer bevorzugten Verfahrenvariante erfolgt die Messung der Betriebshilfsgröße in vorbestimmtem zeitlichen Abstand ΔT_Delay nach Eintritt des vorbestimmten Betriebszustands. Tritt der vorbestimmte Betriebszustand, wie z. B. die vorbestimmte Kommutierungsphase i des EC-Motors periodisch auf, erfolgt die Messung der Betriebsgröße durch die feste zeitliche Relation zur Kommutierungsphase damit auch synchron zur Kommutierung. Hierdurch wird - zumindest solange $\mathrm{\Delta }{T}_{Delay}<\frac{1}{n_i\cdot n}$

  

  gilt, wobei n die aktuelle Drehzahl des EC-Motors und n_i die Anzahl der Kommutierungsphasen (im Beispiel aus 1 gilt n_i = 12) bezeichnet - sichergestellt, dass die Messung der Betriebshilfsgröße nicht durch mögliche, durch den Kommutierungsphasenwechsel bedingte Störungen oder Schwankungen der Betriebshilfsgröße verfälscht wird.
• In einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante erfolgt die Messung der Betriebshilfsgröße im Wesentlichen unmittelbar vor dem Verlassen des vorbestimmten Betriebszustands. Bevorzugt wird durch die zeitliche Bindung der Messung an einen Zeitpunkt kurz von dem Verlassen der sich im Wesentlichen periodisch wiederholenden vorbestimmten Kommutierungsphase i erzielt, dass die Messung der Betriebsgröße synchron zur Kommutierung erfolgt. Hierdurch wird - zumindest solange die Messung der Betriebshilfsgröße selbst schnell genug erfolgt - sichergestellt, dass diese nicht durch mögliche durch den Kommutierungsphasenwechsel bedingte Störungen der Betriebshilfsgröße verfälscht wird.
• Erfindungsgemäß erfolgt die Ermittlung der Betriebsgröße des elektrisch betriebenen Geräts aus der gemessenen Betriebshilfsgröße mittels eines vorbestimmten Formfaktors k_f . Erfindungsgemäß wird der vorbestimmte Formfaktor k_f(n,i) aus der aktuellen Drehzahl n des EC-Motors und der zeitlichen Lage des Messzeitpunkts t_Sample innerhalb der vorbestimmten Kommutierungsphase i, bevorzugt durch Berechnung und/oder aus einer Look-Up-Tabelle, abgeleitet. Vorzugsweise beschreibt der erfindungsgemäße, vorbestimmte Formfaktor k_f(n,t_Sample) den Zusammenhang zwischen der gemessenen Betriebshilfsgröße wie z. B. dem Brückenstrom i_Shunt(t) und dem Betriebsstrom i_Mot(t) , besonders bevorzugt dem mittleren Betriebsstrom $\overline{I_{Mot}}.$

  
• Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Messung der Betriebshilfsgröße innerhalb einer vorbestimmten Stabilitätskommutierungsphase i_Stable . Als Stabilitätskommutierungsphase i_Stable werden im Rahmen der Erfindung solche Kommutierungsphasen verstanden, innerhalb derer die zu messende Betriebshilfsgröße - abgesehen von höherfrequenten Störungen oder Schwankungen wie z. B. den durch die Pulsweitenmodulation bedingten Einbrüchen - stabil ist. D.h. bezogen auf ihren Mittelwert variiert die zu messende Betriebshilfsgröße innerhalb dieser Stabilitätskommutierungsphasen i_Stable nur geringfügig.
• Bei Verfahrenvarianten, bei denen die Messung der Betriebshilfsgröße in vorbestimmten zeitlichen Abständen ΔT_Delay nach Eintritt der vorbestimmten Kommutierungsphasen i erfolgt, kann hierdurch die Drehzahlschwelle erhöht werden, bevor der Fall eintritt, dass die Messung nach der Wartezeit ΔT_Delay in den Zeitpunkt des nächsten Kommutierungsphasenwechsels fällt, der in der Regel mit Schwankungen der Betriebshilfsgröße einhergeht. Ob sich der EC-Motor gerade in einer Stabilitätskommutierungsphase i_Stable befindet, kann u.a. durch die Auswertung der Ausgangssignale der Hall-Sonden zu Lagemessung des Rotors gegenüber dem Stator bestimmt werden. Man spricht daher auch davon, dass die Messung der Betriebshilfsgröße bevorzugt bei vorbestimmten Hallmustern erfolgt.
• Bei einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante, bei der die Messungen der Betriebshilfsgröße im Wesentlichen unmittelbar vor dem Verlassen vorbestimmter Kommutierungsphasen i erfolgt, werden die Kommutierungsphasenwechsel um eine vorbestimmte Zeitspanne ΔT_Kom verzögert. Dies erfolgt insbesondere dazu, um bei höheren Drehzahlen des EC-Motors zu vermeiden, dass die Kommutierung die Betriebshilfsgröße während ihrer Messung beeinflusst und dadurch den Messwert verfälscht.
• In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante, in der die Messung der Betriebshilfsgröße im Wesentlichen unmittelbar vor dem Verlassen der vorbestimmten Kommutierungsphase i erfolgt, ist die Messung innerhalb eines Zeitintervalls ΔT_Sample beendet, welches ein Drittel bis zur Hälfte des Zeitintervalls zwischen Einleitung und Abschluss des Kommutierungsphasenwechsels beträgt.
• Bei einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante, bei der die Messung der Betriebshilfsgröße mit einer Periodendauer T_Sample erfolgt, die ein Vielfaches der Kommutierungsperiodendauer T_Kom beträgt, wird für die Ermittlung der Betriebsgröße nur der Messwert der Betriebshilfsgröße in der jeweils letzten Kommutierungsperiode innerhalb der aktuellen Messperiode verwendet. Dies ist insofern vorteilhaft, als der verfügbare Messwert der Betriebshilfsgröße dann so aktuell wie möglich ist.
• Die Erfindung ist ferner auf eine Anordnung zur Ermittlung wenigstens einer Betriebsgröße von EC-Motoren mit einer Messeinrichtung zum Messen wenigstens einer Betriebshilfsgröße und einer Prozessoreinrichtung gerichtet. Die erfindungsgemäße Anordnung ist derart eingerichtet ist, dass in einem Schritt die Betriebshilfsgröße zu wenigstens einem vorbestimmten Zeitpunkt t_Sample innerhalb wenigstens eines vorbestimmten Betriebszustands des EC-Motors gemessen wird. Bevorzugt wird die Betriebshilfsgröße zu mehreren vorbestimmten Zeitpunkten t_Sample innerhalb vorbestimmter, sich im Wesentlichen periodisch wiederholender Betriebszustände des EC-Motors gemessen. In einem weiteren Schritt wird mittels der Prozessoreinrichtung die Betriebsgröße aus der gemessenen Betriebshilfsgröße ermittelt.
• Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Darin zeigt bzw. zeigen:
• 1 einen Prinzipschaltplan für eine Leistungsendstufe zur Ansteuerung eines EC-Motors;
• 2 einen Versuchsaufbau zur Messung des Brückenstroms i_Shunt(t) und des Motorstrangstroms i_A(t) ;
• 3 den typischen zeitlichen Verlauf des Motorstrangsstroms i_A(t) und des Brückenstroms i_Shunt(t) innerhalb einer Kommutierungsperiode T_Kom;
• 3a-d vergrößerte Ausschnitte des zeitlichen Verlaufs des Motorsstrangstroms i_A(t) u. Brückenstroms i_Shunt(t) aus 3 während der Kommutierungsphasen a, b, c, d;
• 4 den zeitlichen Verlauf der Betriebshilfsgröße bei Abtastung gemäß dem Stand der Technik mit sich ergebendem Messwerterauschband;
• 5 den zeitlichen Verlauf der zu messenden Betriebshilfsgröße bei Abtastung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante;
• 6 den zeitlichen Verlauf der zu messenden Betriebshilfsgröße bei Abtastung gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante;
• 7a-b den zeitlichen Verlauf der zu messenden Betriebshilfsgröße bei unterschiedlichen Drehzahlen n des EC-Motors;
• 8a-c Diagramme zur Abhängigkeit des Drehzahlkorrekturfaktors c_Freilauf (n) ;
• 9a-9l Prinzipschaltpläne für die zwölf verschiedenen Schaltzustände der Leistungsendstufe mit resultierenden Kommutierungsphasen;
• 10 Tabelle mit den Verhältnissen $x=\frac{i_{Shunt}}{I_{Mot}}\text{ und }y=\frac{\overline{I_{Shunt}}}{\overline{I_{Mot}}}$
  
  während der verschiedenen Kommutierungsphasen aus 3.
• In 1 ist ein Prinzipschaltplan für eine Leistungsendstufe zur Ansteuerung eines EC-Motors dargestellt. Eine solche Leistungsendstufe eignet sich u.a. zur Ansteuerung von EC-Motoren in Aktoriken für elektronische Schaltgetriebe bzw. elektronisch gesteuerte Ventilsysteme. Zur Messung des Brückenstroms i_Shunt(t) 40 ist der Messwiderstand R_Shunt 41 (auch Shunt genannt), im Massepfad der Leistungsendstufe vorgesehen.
• Üblicherweise ist bei Leistungsendstufen für EVT-Systeme statt des Messwiderstands 41 ein Hall-Sensor zur Strommessung im Massepfad vorgesehen. Wie bereits erwähnt, werden kleinere Motorspannungen als die Batterie- bzw. Bordnetzspannung U_Bat mittels schnellem Ein- und Ausschalten zweier FETs des gleichen Stranges realisiert. Die Ansteuersignale für die FETs wechseln dabei mit einer konstanten Frequenz und mit dem Tastverhältnis PWM zwischen einem „ON“-Zustand und einem „OFF“-Zustand und damit zwischen wenigstens zwei Ansteuerungssignalwerten.
• Beispielsweise wird in der „ON“-Phase ein High-side-FET (1 M1, M3, M5) eingeschaltet. Im gleichen Strang wird in der „OFF“-Phase ein Low-side-FET (M2, M4, M6) eingeschaltet. Demgegenüber werden in der „OFF“-Phase High-side-FETs (M1, M3, M5) und in der „ON“-Phase im gleichen Strang Low-side-FETs (M2, M4, M6) ausgeschaltet.
• Um ein Überschneiden der„ON“- und „OFF“-Phasen, d.h. ein gleichzeitiges Durchschalten der High- und Low-side-FETs eines Strangs und somit einen Kurzschluss zu verhindern, weisen die Ansteuerspannungen der FETs eine Totzeit von zirka T_{dead_PWM} ≈ 1µs auf, in der beide FETs nicht durchgeschaltet werden. Während dieser Totzeit fließt ein Freilaufstrom über die entsprechende Freilaufdiode (1 D2, D4, D6) des kurzzeitig ausgeschalteten Low-side-FETs in der „OFF“-Phase bzw. in der „ON“-Phase über die entsprechende Freilaufdiode
  (1 D1, D3, D5) des kurzzeitig ausgeschalteten High-side-FETs. Das kurzzeitige Ausschalten der FETs bei den Wechseln zwischen „ON“ und „OFF“-Phase bzw. umgekehrt minimiert die Verlustleistung. Die beschriebene Schaltstrategie wird als synchroner Freilauf bezeichnet. Es können jedoch auch inverse Schaltstrategien eingesetzt werden („ON“-Phase: Low-side-FET eingeschaltet und „OFF“-Phase: High-side-FET eingeschaltet).
• Die Leistungsendstufe, wie in 1 dargestellt, dient der Kommutierung d.h. Umpolung der Statorspulen des angesteuerten EC-Motors. Diese sind in 1 durch ihre elektrischen Ersatzelemente, nämlich ihren Ohmschen Widerstand R_j und ihre Induktivität L_j symbolisiert.
• Im vorliegenden Beispiel werden drei Statorspulen j ∈ [1;3] verwendet, die bezüglich der Drehachse des Rotors um jeweils 120° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Dabei sind die Statorspulen mit einem ihrer Pole 60 sternförmig zusammen geschaltet. Der jeweils andere Pol ist mit den Mittelknoten 11, 21, 31 jeweils eines Strangs der Leistungsendstufe verbunden und kann je nach dem, ob der High- oder Low-side-FET des jeweiligen Strangs durchgeschaltet ist, mit dem Plus- oder Minuspol (Masse) der Batteriespannungsquelle U_Bat verbunden werden.
• Bei geeigneter Ansteuerung der Leistungs-FETs der Leistungsendstufe kann dadurch innerhalb der Statorspulen ein magnetisches Drehfeld erzeugt werden, welches die Drehung des EC-Motor-Rotors bewirkt. Um sicher zu gehen, dass durch die Kommutierung keine Überschneidungen der Einschaltzustände von High- und Low-side-FETs des gleichen Strangs und somit Kurzschlüsse zwischen Plus- und Minuspol der Batteriespannungsquelle U_Bat entstehen, werden alle FETs für die Dauer von etwa T_{dead_Kom} ≈ 10 µs vor einem Schaltzustandwechsel ausgeschaltet. In dieser Totzeit fließen die Freilaufströme nur über die Dioden (D1 bis D6) über R_Shunt 41 in den Kondensator C_Puffer 42. Die beiden erwähnten Totzeiten, T_{dead_PWM} und T_{dead_Kom}, haben kaum Einfluss auf den zeitlichen Verlauf des Stroms und werden im Folgenden nicht weiter berücksichtigt.
• 2 zeigt einen Versuchsaufbau zur Messung der zeitlichen Verläufe des Brückenstroms i_Shunt(t) 40 und eines der Motorstrangströme, in diesem Fall des Motorstrangstroms i_A(t) = i_{Phase_A}(t) 45. Dabei wird der EC-Motor 251 des Messwagens 250 durch das Steuergerät 210 für eine Getriebesteuerung über die drei Phasen- bzw. Strangleitungen A, B und C angesteuert. Das Steuergerät 210 wird vom Leistungsnetzteil 220 versorgt. Über den externen Rechner 260 wird mittels des Mikrocontrollers 215 im Steuergerät 210 die Motorspannung des EC-Motors 251 eingestellt. Der EC-Motor 251 ist mit dem Servomotor 252 belastet, wobei der Drehzahlsollwert über das mit dem Messwagen 250 verbundene externe Steuergerät 270 vorgegeben wird. Das Bezugszeichen 230 bezeichnet eine Anschlusseinrichtung, welche Stromsensoren zur Abnahme der Motorstrangströme mit dem Oszilloskop 200 aufweist. Dargestellt ist die Abnahme des Motorstrangstroms i_A(t) = i_{Phase_A}(t) 45. Ferner wird mittels des Oszilloskops 200 über den Messwiderstand 41 im Massepfad der den EC-Motor 251 ansteuernden Leistungsendstufe 211 (auch kurz Brücke genannt) der zeitliche Verlauf des Brückenstroms i_Shunt(t) 40 dargestellt.
• In 3 sind typische Verläufe eines Motorstrangstroms 45, hier des Stroms i_A(t) = i_{Phase_A}(t) und des Brückenstroms i_Shunt(t) 40 aus 1 bei einer Drehzahl des EC-Motors 251 von $n=1000\frac{1}{\text{min}}$

  

  dargestellt. 3 zeigt ein Beispiel, in dem die dreifache elektrische Zeitkonstante T_Mot des EC-Motors größer ist als dessen Kommutierungsperiodendauer T_Kom. Die elektrische Zeitkonstante T_Mot ist ein Maß für die Verzögerung des Stromsanstiegs durch die Statorspulen, welche aus deren Induktivitäten L_j und Widerständen R_j ermittelt werden kann. Infolge dieser Verzögerung kann der Motorstrangstrom i_{Phase_A}(t) 45 seinen maximal möglichen Wert während einer Kommutierungsperiode T_Kom nur bei sehr langsamen Drehzahlen n erreichen. Im vorliegenden Beispiel bei dem gilt, dass 3 · T_Mot > T_Kom , hat der Motorstrangstrom nach Ablauf der Kommutierungszeit T_Kom noch nicht 95 % seines Maximalwerts erreicht.
• 3 offenbart auch, dass selbst in Kommutierungsphasen, innerhalb derer der Brückenstrom i_Shunt(t) 40 als zu messender Betriebshilfsgröße lediglich relativ geringfügig schwankt (Stabilitätskommutierungsphasen a und c), die daher bevorzugt zur Strommessung herangezogen werden, der Strom am Anfang der Kommutierungsphase merklich geringere Werte aufweist als an deren Ende.
• Bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren zur Betriebsgrößenermittlung betrachten den zeitlichen Betriebshilfsgrößenverlauf lediglich während dieser Stabilitätskommutierungsphasen. Dies entspricht einem Verfahrenschritt, in dem die zeitlichen Verläufe der Betriebshilfsgröße also z. B. des Brückenstroms i_Shunt(t) 40 aufeinander folgender Stabilitätskommutierungsphasen zeitlich aneinander gefügt werden.
• Bevorzugt werden in einem weiteren Verfahrensschritt aus dem zeitlichen Verlauf des Brückenstroms i_Shunt(t) 40 wie in 3 dargestellt dessen Schwankungen, welche durch die Pulsweitenmodulation der die Leistungsendstufe ansteuernden Signale bedingt sind, analog herausgefiltert. Dies kann z. B. mit einem Tiefpassfilter mit relativ hoher Grenzfrequenz erfolgen. Andere Änderungen des Brückenstroms i_Shunt(t) 40 hingegen, z. B. dessen Einbrüche aufgrund der Kommutierung, bleiben im gefilterten Stromverlauf erhalten.
• Die 3a - 3d zeigen vergrößerte Ausschnitte der Verläufe von Brückenstrom i_Shunt(t) 40 und Motorstrangstrom i_{Phase_A}(t) 45 aus 3 während der Kommutierungsphasen 320 (a - d). Dabei treten in der zeitlich gedehnten Darstellung deutliche Pausen in den Verläufen des Brückenstroms i_Shunt(t) 40 hervor. Das Puls-Pausen-Verhältnis im Verlauf von i_Shunt(t) 40 entspricht dem Tastverhältnis PWM der eingestellten Motorspannung und bestimmt sich zu $$PWM=\frac{t_{ON}}{t_{ON}+t_{OFF}}.$$

  

  Zum Verständnis der Schaltvorgänge in den zwölf verschiedenen Kommutierungsphasen 310 nach 3 sind in den 11a -11I die Prinzipschaltpläne für die entsprechenden zwölf Schaltzustände der Leistungsendstufe aus 1 dargestellt. Darin sind die jeweiligen Werte des Brückenstroms i_Shunt ^(t) 40 mit Betrag und Richtung besonders hervorgehoben.
• Wie bereits erwähnt, kann aus den Motorstrangströmen i_{Phase__A}(t) , i_{Phase__B}(t) i_{Phase_C} (t) der Betriebs- bzw. Motorstrom i_Mot(t) rechnerisch bestimmt werden. Im Beispiel nach 1 gilt: $$i_{Mot}\left(t\right)=\frac{1}{2}\cdot \left(\left|i_{Phase\_A}\left(t\right)\right|+\left|i_{Phase\_B}\left(t\right)\right|+\left|i_{Phase\_C}\left(t\right)\right|\right).$$

  
• Zur Vereinfachung des Betriebsstromermittlung wird bevorzugt auf eine Messung des Brückenstroms als Betriebshilfsgröße zurückgegriffen, da wie erwähnt in erster Näherung $\frac{I_{Shunt}}{I_{Mot}}\approx PWM$

  

  gilt. Die Verwendung der Beziehung zwischen Brückenstrom und Betriebsstrom in bevorzugten Verfahrensvarianten ist insofern vorteilhaft, als sich hieraus Vereinfachungen für die Steuerstrategien für EC-Motoren über Stromsteuerung, für die Strombegrenzung und für die Temperaturermittlung über ein entsprechendes Temperaturmodell ergeben.
• Im Laufe einer Kommutierungsperiode T_Kom treten jedoch Zustände auf, in denen der Betriebsstrom i_Mot(t) nicht mehr ohne weiteres aus dem Brückenstrom i_Shunt(t) 40durch Division durch das Tastverhältnis PWM der Motorspannung U_Mot(t) ermittelt werden kann. In der Tabelle in 10 sind dazu für die verschiedenen Kommutierungsphasen 310 1 -12 aus 3 die Verhältnisse $x=\frac{i_{Shunt}}{I_{Mot}}\text{ und }y=\frac{\overline{I_{Shunt}}}{\overline{I_{Mot}}}$

  

  aufgelistet. Das Verhältnis y bezeichnet das Verhältnis der Mittelwerte von Brückenstrom und Betriebsstrom ab einem vorgegebenen Zeitpunkt t_x, es gilt: $$y=\frac{\overline{I_{Shunt}}}{\overline{I_{Mot}}}=\frac{{\displaystyle \underset{t_x}{\overset{T_{PWM}+t_x}{\int }}{i}_{Shunt}\left(t\right)}}{{\displaystyle \underset{t_x}{\overset{T_{PWM}+t_x}{\int }}{i}_{Mot}\left(t\right)}}.$$

  
• Dieser Effekt erklärt sich am besten aus einer Betrachtung der gedehnten Zeitverläufe von i_{Phase_A}(t) und i_Shunt(t) in den 3a-3d. Darin ist ersichtlich, dass zum gleichen Zeitpunkt t die Pulshöhe des zeitlichen Verlaufs von i_Shunt(t) 40 nicht stets dem Betrag von i_{Phase_A}(t) entspricht. Während in 3a u. 3c die Beträge gleich sind, unterscheiden sie sich in den 3b u. 3d. Dies hat seine Ursache in der Kommutierung und wird bei einer Betrachtung der Strompfade verständlich:
• Einerseits fließt der Betriebsstrom i_Mot(t) bei der Kommutierung kurzzeitig nicht über den Messwiderstand 41, sondern über Freilaufstromkreise in der Leistungsendstufe selbst. Andererseits fließt zu manchen Zeitpunkten ein kurzer Stromimpuls entgegen der üblichen Richtung über den Messwiderstand 41 in den Kondensator 42. Diese Ausgleichsströme bedingt durch den verzögerten Stromanstieg in den Statorspulen sind Teil der Motorstrangströme und somit auch des resultierenden Betriebsstroms i_Mot(t). Über den Messwiderstand 41 fließen jedoch nur Teile dieser Ausgleichsströme, wodurch der Brückenstrom I_Shunt im Mittel kleiner ist, als er sich aus dem Betriebsstrom I_Mot in Verbindung mit dem Tastverhältnis PWM ergäbe. Dem kann durch Einführung eines Freilaufkorrekturfaktors c_Freilauf Rechnung getragen werden: $$I_{Shunt}=I_{Mot}\cdot PWM\cdot c_{Freilauf}.$$

  
• Der Freilaufkorrekturfaktor c_Freilauf ist keine Konstante, sondern u.a. von der Motordrehzahl n und der eingestellten mittleren Motorspannung $\overline{U_{Mot}}$

  

  abhängig. In einer bevorzugten Verfahrensvariante werden diese Abhängigkeiten durch Messungen vorbestimmt und beispielsweise in einer Speichereinrichtung abgelegt. Dadurch können im Betrieb des EC-Motors aus dem gemessenen Brückenstrom I_Shunt bei bekanntem Tastverhältnis PWM der Motorspannung U_Mot(t) genauere Werte des Betriebsstroms I_Mot nach $I_{Mot}=\frac{I_{Shunt}}{PWM\cdot c_{Freilauf}}$

  

  ermittelt werden.
• In den 8a u. 8b sind für zwei unterschiedlich angesteuerte EC-Motoren die Verläufe des Freilaufkorrekturfaktors c_Freilauf über der Motordrehzahl n bei verschiedenen mittleren Motorspannungen $\overline{U_{Mot}}$

  

  dargestellt. 8a zeigt den Verlauf bei Ansteuerung über ein Steuergerät 210 für eine elektronische Getriebesteuerung und 8b bei Ansteuerung über ein Steuergerät 210 für eine elektronische Ventilsteuerung.
• Die senkrechten Linien in 8a u. 8b bezeichnen die Grenzdrehzahlen, bei denen die in den Statorspulen induzierte Spannung U_ind (n) jeweils den Betrag der eingestellten Motorspannung mit dem an der jeweiligen Linie vermerkten Wert erreicht. Der Graph von _CFreilauf(n) liegt im Bereich zwischen der c_Freilauf-Achse und der entsprechenden Linie. Die Aussagekraft der Strommessungen im oberen Drehzahlbereich, in dem die induzierte Spannung U_ind(n) fast die Motorspannung erreicht, ist nur begrenzt, da die stromtreibende Differenzspannung U_Mot- U_ind (n) dann immer kleiner wird. Dadurch sinkt auch der zu messende Strom, wodurch die Messung bereits durch kleine Offsets stark verfälscht werden kann.
• Die 8a u. 8b offenbaren, dass die Verläufe _CFreilauf(n) stets beim Stillstand bei 1 beginnen und im linken Bereich im Wesentlichen parabelförmig verlaufen. D.h. zunächst sinkt _CFreilauf(n) mit steigenden Drehzahlen bis zu einem Minimum, vom dem aus _CFreilauf(n) wieder ansteigt. Ferner zeigen die Graphen von _CFreilauf(n) weitere Abhängigkeiten von anderen Faktoren. Z. B. fällt c_Freilauf bei gleicher Drehzahl je höher die angelegte Motorspannung U_Motist.
• Die Freilaufkorrekturfaktoren _CFreilauf(n) sind weiterhin von der elektrischen Motorzeitkonstante $T_{Mot}=\frac{L_{PH-PH}}{R_{PH-PH}}$

  

  abhängig.
• Schließlich sind die Verläufe von c_Freilauf (n) bei höheren Motorkonstanten K_e stärker gestaucht. Dies rührt daher, dass die induzierte Spannung U_ind(n) proportional zu K_e und zu n ist. Daher erreichen Motoren mit hohen Motorkonstanten K_e bei gleicher Motorspannung U_Mot nicht so hohe Drehzahlen. Die Einflüsse der elektrischen Motorzeitkonstanten T_Mot und der Motorkonstanten K_e auf die Freilaufkorrekturfaktoren _CFreilauf(n) sind bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren auf verschiedene EC-Motoren wesentlich, da sich die Motoren in Wicklungswiderstand, Wicklungsinduktivität und Motorkonstante unterscheiden können.
• In 8c sind simulierte Verläufe von _CFreilauf(n) dargestellt, welche darüber hinaus offenbaren, dass die Minima der Graphen von _CFreilauf(n) mit wachsender Motorzeitkonstanten T_Mot fallen.
• Da die Form der Verläufe von _CFreilauf(n) von verschiedenen Motorparametern abhängig ist und diese Parameter zum Teil mit steigender Temperatur und zunehmendem Alter variieren, beeinflussen auch die Temperatur und das Alter die Freilaufkorrekturfaktoren c_Freilauf (n) .
• Dies ist zum einem auf die Temperatur- und Altersabhängigkeit der Motorkonstante K_e zurückzuführen, die mit steigender Temperatur und zunehmendem Alter sinkt. Sinkende Motorkonstanten K_e haben den Effekt einer Feldschwächung, wodurch bei gleicher Motorspannung ein größerer Drehzahlbereich durchfahren werden kann, d.h. der Graph von _CFreilauf(n) wird auf einen größeren Drehzahlbereich gestreckt.
• Der Einfluss der Temperatur ist zum Teil auch durch den damit verbundenen Anstieg der Widerstände des EC-Motors bedingt. Dadurch verändert sich zwar nicht das Verhältnis von Brückenstrom zu Betriebsstrom zu bestimmten Zeitpunkten, jedoch das Verhältnis der Mittelwerte. Insbesondere verringert sich mit steigendem Widerstand R_PH-PH die elektrische Motorzeitkonstante T_Mot , wodurch sich die Stromanstiegs- und -abfallzeiten durch die Statorspulen verkürzen, was zu steigenden Freilaufkorrekturfaktoren c_Freilauf(n) führt.
• Die ausschließliche Betrachtung der Stabilitätskommutierungsphasen und die analoge Filterung des Brückenstroms i_Shunt(t) führen ausgehend von dessen zeitlichen Verläufen wie in 3 beispielhaft zu durch die erfindungsgemäßen Verfahren weiter auszuwertenden Zeitverläufen wie in 4-6 dargestellt.
• Bei einer Messung bzw. Abtastung des Brückenstroms i_Shunt(t) mit fester Messperiode bzw. fester Abtastperiode T_Sample , die nicht zur Kommutierungsperiode T_Kom synchronisiert ist, bewirken die Einbrüche im Verlauf von i_Shunt(t) infolge der Kommutierung eine Störung bzw. Erhöhung der Unsicherheit des abgetasteten Werts, die mit steigender Drehzahl n des Motors größer wird. Dies rührt daher, dass mit steigender Drehzahl n der zeitliche Abstand zwischen den kommutierungsbedingten Einbrüchen des Stroms immer kleiner wird, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Messung bzw. Abtastung des Brückenstroms i_Shunt(t) innerhalb eines solchen Einbruchs erfolgt.
• In 4 ist eine Problematik bei der Betriebsstrommessung von EC-Motoren gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die durch die Kreuze bezeichneten Werte des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Betriebshilfsgröße zeigen die einzelne Messwerte bzw. Abtastzeitpunkte. Da die Messung bzw. Abtastung der Betriebshilfsgröße wie z. B. des Brückenstroms gemäß dem Stand der Technik nicht synchronisiert zur Kommutierung erfolgt, liegen einzelne Messwerte, wie beispielsweise der Messwert 51, in einem durch die Kommutierung bedingten Einbruch des Stromverlaufs, während der Messwert 52 in einem Teil des zeitlichen Stromverlaufs liegt, zu dem dieser nach einer Kommutierung im Wesentlichen seinen Maximalwert erreicht hat.
• Bedingt durch diese in 4 fehlende Synchronisierung der Analog-Digital-Wandlungsrate des gemessenen Stroms zur Kommutierungsperiode entsteht wiederum wie zuvor beschrieben ein Aliasing-Problem. Die hierfür ursächlichen, höherfrequenten Stromschwankungen könnten mit einem Tiefpassfilter mit wesentlich größerer Zeitkonstante herausgefiltert werden.
• Dies bedeutete jedoch eine weitere große Zeitverzögerung zwischen dem gemessenen und dem aktuellen Wert des Stroms. Ohne weiteres Filtern führt die in Bezug auf die Kommutierungsperiode T_Kom unsynchronisierte Strommessung bzw. unsynchronisierte Analog-DigitalWandlung für die weitere digitale Verarbeitung des gemessenen Stromwerts zu einem relativ breiten Rauschband, innerhalb dessen die gemessenen Abtastwerte des Strom, wie in 4 dargestellt, liegen können.
• Die Wirkungsweise einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 5 dargestellt. Dabei ist die Messperiode bzw. Abtastperiode T_Sample mit der Kommutierungsperiode T_Kom des EC-Motors synchronisiert. Dann kann die Abtastung des Stroms innerhalb einer Einbruchphase z. B. dadurch vermieden werden, dass die Messung erst nach Ablauf einer festen Verzögerungszeit ΔT_Delay nach einem Kommutierungsphasenwechsel erfolgt. 5 offenbart, dass hierdurch das gestrichelt begrenzte Rauschband, innerhalb dessen die durch Kreuze bezeichneten Messwerte liegen, deutlich schmaler ist als jenes in 4 bei zur Kommutierungsperiode T_Kom unsynchronisierter Abtastung.
• Diese Verfahrensvariante ist allerdings nur bis zu einer gewissen Maximaldrehzahl n_max des EC-Motors geeignet. Diese Grenzdrehzahl n_max tritt für den Fall auf, bei dem ein neuer Kommutierungseinbruch zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die Wartezeit ΔT_Delay nach dem letzen Kommutierungsphasenwechsel vorbei ist. Die Maximaldrehzahl n_max kann dadurch erhöht werden, dass Herstellungsungenauigkeiten des EC-Motors berücksichtigt werden. Ferner ist es möglich, mit Hilfe des Wissens, bei welchen Kommutierungsphasen (in 3 der Kommutierungsphasen 310 1 bis 12) sich die Stromwerte nur geringfügig ändern (in 3 z. B. die Kommutierungsphasen a und c), die Maximaldrehzahl n_max weiter zu erhöhen, indem die Strommessungen bei höheren Drehzahlen in diesen bereits erwähnten Stabilitätskommutierungsphasen erfolgen.
• In 6 ist die Wirkungsweise einer weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensvariante gezeigt. Hier sind wiederum die aneinander gereihten zeitlichen Verläufe des Brückenstroms i_Shunt(t) während einer vorgegebenen Kommutierungsphase i dargestellt. Wie 6 zeigt, kann ein schmales Rauschband für die Strommessung auch dadurch erzielt werden, dass die Messungen bzw. Abtastungen des Stroms im Wesentlichen unmittelbar vor den Kommutierungsphasenwechseln erfolgen, wie die geringe Schwankungsbreite der mit den Kreuzen bezeichneten Messwerte in 6 zeigt.
• Für diese Verfahrensvariante ist es bevorzugt, dass die Strommessung bzw. Abtastung sehr schnell erfolgt. Typischerweise betragen die Zeitintervalle zwischen einem Hardwareinterrupt, also einem Ereignis, welches den Wechsel der Kommutierungsphase auslöst (man spricht auch davon, dass eine so genannte Hall-Muster-Änderung auslöst wird), bis zur Durchführung der Kommutierungsänderung in gängigen EC-Motorenansteuerungen zirka 18 µs. Vorzugsweise ist die Strommessung in einem Drittel bis zur Hälfte dieser Zeitspanne abgeschlossen sein. Das heißt, eine Strommessung nach diesem Verfahren ist bevorzugt nach weniger als 6 µs abgeschlossen.
• Die in 6 dargestellte Verfahrensvariante ist insofern besonders vorteilhaft, als die Betriebshilfsgröße wie beispielsweise der Brückenstrom i_Shunt(t) stets zu den Zeitpunkten gemessen bzw. abgetastet wird, zu welchen dieser im Wesentlichen seinen Maximalwert innerhalb einer bestimmten Kommutierungsphase erreicht hat.
• Es ist bevorzugt, dass, falls mehr als eine Kommutierung pro Messperiode T_Sample erfolgt, in dieser Messperiode immer die Strommessung während der letzen Kommutierungsperiode ausgewertet wird und alle früheren Strommessungen verworfen werden. So wird sichergestellt, dass der gemessene Stromwert so aktuell wie möglich ist.
• Den 7a bzw. 7b kann der zeitliche Verlauf des Brückenstroms i_Shunt(t) bei unterschiedlichen Motordrehzahlen n entnommen werden. Dabei zeigt 7a den zeitlichen Verlauf des Brückenstroms i_Shunt(t) bei niedrigen Drehzahlen n, bei welchen die Einbrüche im Stromverlauf aufgrund der Kommutierung selten erfolgen. In 7b ist der zeitliche Verlauf des Brückenstroms i_Shunt(t) bei höheren Drehzahlen n darstellt. Die höhere Drehzahl ist mit häufigeren Einbrüchen des Stroms verbunden.
• Bei der Ermittlung des Betriebsstroms i_Mot(t) sowie bei dessen Auswertung in einer Prozessoreinrichtung interessiert vornehmlich der Mittelwert des Betriebsstroms $\overline{I_{Mot}}.$

  

  Bei der erfindungsgemäß kommutierungssynchronen Messung bzw. Abtastung weicht der gemessene Wert des Brückenstroms i_Shunt(t), wie in den 7a und 7b durch das Kreuz symbolisiert, in aller Regel vom Mittelwert des tatsächlichen Stroms ab.
• Diese Abweichung hängt einerseits von der Drehzahl n des EC-Motors ab. So wird der Mittelwert bei niedrigeren Drehzahlen n, wie in 7a, dargestellt, höher liegen, da er dann einen längeren Zeitraum Werte in der Nähe seines Maximalwertes annimmt, bevor mit einem Kommutierungsphasenwechsel ein neuer Einbruch des Stroms erfolgt. Diese Zeit ist bei höheren Drehzahlen n kürzer und dadurch wird sich der Strom aufgrund des zeitverzögerten Stromaufbaus, bedingt durch Induktivität und Widerstand der Statorspulen, weniger nahe an seine theoretisch maximale Amplitude ausbilden. Dies hat bei höheren Drehzahlen n einen geringeren Mittelwert des Stroms zur Folge.
• Ferner ist ebenfalls aus den 7a und 7b ersichtlich, dass der gemessene Wert vom Mittelwert des tatsächlichen Stroms ebenfalls in Abhängigkeit vom konkreten Abtastzeitpunkt abweichen wird. Diese Abweichung ist z. B. umso größer, je zeitlich näher der kommutierungssynchrone Abtastzeitpunkt am kommutierungsbedingten Stromeinbruch liegt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der beschriebenen Abweichung sieht einen drehzahl- und messzeitpunktsabhängigen Formfaktor k_f vor, der sich bevorzugt aus vorbekannten Motorkonstanten berechnen lässt oder aus einer Look-Up-Tabelle innerhalb der Prozessoreinrichtung abgerufen werden kann.
• In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird der gemessene Brückenstrom i_Shunt(t) (auch mit Batteriestrom bezeichnet) bzw. der daraus ermittelte Betriebsstroms i_Mot(t) zur weiteren Auswertung arithmetisch gemittelt. Hierdurch kann eine Messergebnisverfälschung durch eine wegen des verbleibenden Rauschens bedingte Messwertstreuung reduziert werden. Insbesondere für Ermittlung der Betriebstemperatur ϑ_Mot(t) des EC-Motors ist jedoch der Effektivwert des Betriebsstroms i_Mot(t) relevant.
• In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante beschreibt der Formfaktor k_f das Verhältnis von Effektivwert zum Gleichrichtwert einer gemessen bzw. ermittelten Größe wie insbesondere des gemessenen Brückenstroms i_Shunt(t) bzw. des ermittelten Betriebsstroms i_Mot(t) .
• Erfindungsgemäß wird bei der Ermittlung des Formfaktors k_f zwischen einem unteren und einem oberen Drehzahlbereich unterschieden. Auf der Basis, dass für den Betriebsstrom i_Mot(t) der arithmetische Mittelwert dem Gleichrichtwert entspricht, kann der Betriebsstrom i_Mot(t) im unteren Drehzahlbereich durch eine e-Funktion beschrieben werden: $$i_{Mot}\left(t\right)={\widehat{l}}_{Mot}\cdot \left(1-e^{-\frac{t}{T_{Mot}}}\right);t\in \left[\frac{T_{Mot}}{4};T_{Kom}\right]$$

  

  Für den Gleichrichtwert des Betriebsstroms I_Mot im unteren Drehzahlbereich gilt damit: $$\left|\overline{I_{Mot}}\right|=\frac{1}{T_{Kom}-\frac{T_{Mot}}{4}}\cdot {\displaystyle \underset{\frac{T_{Mol}}{4}}{\overset{T_{Kom}}{\int }}{\widehat{l}}_{Mot}}\cdot \left(1-e^{-\frac{t}{T_{Mot}}}\right)dt.$$

  

  Der Effektivwert des Betriebsstroms I_{Mot _eff} im unteren Drehzahlbereich ergibt sich zu: $$i_{Mot}{}_{\_eff}=\sqrt{\frac{1}{T_{Kom}-\frac{T_{Mot}}{4}}\cdot {{\displaystyle \underset{\frac{T_{Mot}}{4}}{\overset{T_{Kom}}{\int }}\left({\widehat{l}}_{Mot}\cdot \left(1-e^{-\frac{t}{T_{Mot}}}\right)\right)}}^{2}dt.}$$

  

  Der Formfaktor ergibt sich aus $k_f=\frac{I_{Mot\_eff}}{\left|\overline{I_{Mot}}\right|}$

  

  und ist damit unabhängig von der Betriebsstromamplitude î_Mot.
• In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird eine minimale Kommutierungsperiode T_Kom ermittelt, welche die maximale Drehzahl angibt, bis zu welcher der Formfaktor k_f(n) über den Ausdruck für i_Mot(t) im unteren Drehzahlbereich noch mit einer Genauigkeit von 5 % ermittelt werden kann. Z. B. liegt der Fehler von k_f(n) für eine elektrische Motorkonstante von T_Mot = 600 µs für T_Kom ∈ [0,5ms ; 1s] stets unter 4 % .
• Im oberen Drehzahlbereich kann der zeitliche Verlauf des Betriebsstroms i_Mot(t) durch eine Sägezahnfunktion mit einem Offset angenähert werden. Für den Gleichrichtwert des Betriebsstroms I_Mot im oberen Drehzahlbereich gilt damit: $$\left|\overline{I_{Mot}}\right|=\frac{1}{T_{Kom}}\cdot {\displaystyle \underset{0}{\overset{T_{Kom}}{\int }}\left(\frac{{\widehat{l}}_{Mot}}{2\cdot T_{Kom}}\cdot t+\frac{{\widehat{l}}_{Mot}}{2}\right)}dt.$$

  

  Der Effektivwert des Betriebsstroms I_{Mot _eff} im unteren Drehzahlbereich ergibt sich zu: $$i_{Mot}{}_{\_eff}=\sqrt{\frac{1}{T_{Kom}}\cdot {{\displaystyle \underset{0}{\overset{T_{Kom}}{\int }}\left(\frac{{\widehat{l}}_{Mot}}{2\cdot T_{Kom}}\cdot t+\frac{{\widehat{l}}_{Mot}}{2}\right)}}^{2}dt.}$$

  

  Damit folgt für den Formfaktor im oberen Drehzahlbereich: $k_f=\frac{I_{Mot\_eff}}{\left|\overline{I_{Mot}}\right|}=\mathrm{1,018}$

  

  unabhängig von der Betriebsstromamplitude î_Mot und der Kommutierungsperiode T_Kom. D.h. der Fehler zwischen Gleichrichtwert und Effektivwert des offsetbehafteten Betriebsstroms beträgt stets 1,8 % . Bei Verschwinden des Offsets gilt $k_f=\frac{I_{Mot\_eff}}{\left|\overline{I_{Mot}}\right|}=\mathrm{1,15,}$

  

  d.h. der Fehler beträgt dann 15 %.
• Durch den erfindungsgemäß drehzahlabhängigen Formfaktor k_f(n) kann auf einfache Weise der systematische Fehler zwischen Gleichrichtwert und Effektivwert des Betriebsstroms berücksichtigt werden. Dabei ist die Form der zeitlichen Stromverläufe von maßgeblicher Bedeutung. Die obigen Annäherungen sind lediglich beispielhaft zu sehen. Es ist möglich, die tatsächlich komplexer geformten Verläufe durch eine weitere Unterteilung der Drehzahlbereiche genauer anzunähern und dadurch bei Bedarf das Fehlerintervall auf Werte unter 5 % zu verringern.
• Bezugszeichenliste

10

erster Strang der Leistungsendstufe

20

zweiter Strang der Leistungsendstufe

30

dritter Strang der Leistungsendstufe

11

Mittelknoten des ersten Strangs der Leistungsendstufe

21

Mittelknoten des zweiten Strangs der Leistungsendstufe

31

Mittelknoten des dritten Strangs der Leistungsendstufe

40

Brückenstrom i_Shunt(t)

41

Messwiderstand R_Shunt (auch: Shunt)

42

Glättungskondensator C_Puffer

43

Glättungsinduktivität L_Glättung

45

Motorstrangstrom i_{Phase_A}(t)

60

Sternknoten des EC-Motors

200

Oszilloskop

210

Steuergerät

211

erste Leistungsendstufe

212

zweite Leistungsendstufe

215

Mikrocontroller

220

Leistungsnetzteil

230

Anschlusseinrichtung mit Stromsensoren

250

Messwagen

251

EC-Motor (Device Under Test)

252

Servomotor

260

externer Rechner

270

externes Steuergerät

310

verschiedene Kommutierungsphasen

320

Kommutierungsphasen a, b, c, d

51

Messwert zum Zeitpunkt eines Einbruchs im Betriebshilfsgrößenverlauf

52

Messwert zum Zeitpunkt kurz vor einem Kommutierungsphasenwechsel

Claims (9)

1. Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Betriebsgröße eines EC-Motors (251) mit den Schritten: - Messung wenigstens einer Betriebshilfsgröße (40) zu wenigstens einem vorbestimmten Zeitpunkt t_Sampie innerhalb wenigstens eines vorbestimmten Betriebszustands des EC-Motors zu mehreren vorbestimmten Zeitpunkten t_Sample innerhalb vorbestimmter, sich im Wesentlichen periodisch wiederholender Betriebszustände des EC-Motors (251); - Ermittlung der Betriebsgröße aus der gemessenen Betriebshilfsgröße (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgröße der Betriebsstrom i_Mot(t) des EC-Motors (251) ist, und wobei die gemessene Betriebshilfsgröße (40) ein Brückenstrom i_Shunt(t) ist, der über einen im Massepfad zu einer Spannungsquelle angeordneten Widerstand R_Shunt gemessen wird, wobei die Ermittlung der Betriebsgröße des elektrisch betriebenen Geräts aus der gemessenen Betriebshilfsgröße (40) mittels eines vorbestimmten Formfaktors k_f erfolgt, wobei der vorbestimmte Formfaktor k_f (n,t_Samle) aus der aktuellen Drehzahl n des EC-Motors und der zeitlichen Lage des Messzeitpunkts t_Sample innerhalb der vorbestimmten Kommutierungsphase i durch Berechnung und/oder aus einer Look-up Tabelle, abgeleitet wird.
2. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Betriebszustand eine vorbestimmte Kommutierungsphase i (310) des EC-Motors (251) ist.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Betriebshilfsgröße (40) in vorbestimmtem zeitlichem Abstand ΔT_Delay nach Eintritt des vorbestimmten Betriebszustands erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Betriebshilfsgröße (40) im Wesentlichen unmittelbar vor dem Verlassen des vorbestimmten Betriebszustands erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Betriebshilfsgröße (40) innerhalb einer vorbestimmten, Stabilitätskommutierungsphase i_Slable erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Messung der Betriebshilfsgröße (40) im Wesentlichen unmittelbar vor dem Verlassen der vorbestimmten Kommutierungsphase i erfolgt, der Kommutierungsphasenwechsel um eine vorbestimmte Zeitspanne ΔT_Kom verzögert wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Messung der Betriebshilfsgröße (40) im Wesentlichen unmittelbar vor dem Verlassen der vorbestimmten Kommutierungsphase i erfolgt, die Messung innerhalb eines Zeitintervalls ΔT_Sample beendet ist, welches ein Drittel bis zur Hälfte des Zeitintervalls zwischen Einleitung und Abschluss des Kommutierungsphasenwechsels beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Messung der Betriebshilfsgröße (40) mit einer Messperiode T_Sample erfolgt, die ein Vielfaches der Kommutierungsperiode T_Kom beträgt, für die Ermittlung der Betriebsgröße nur der Messwert der Betriebshilfsgröße (40) in der jeweils letzten Kommutierungsperiode der aktuellen Messperiode verwendet wird.
9. Anordnung zur Ermittlung wenigstens einer Betriebsgröße von elektrisch betriebenen Geräten mit einer Messeinrichtung zum Messen wenigstens einer Betriebshilfsgröße (40) und einer Prozessoreinrichtung, die derart eingerichtet ist, dass folgende Schritte durchführbar sind: - Messung der Betriebshilfsgröße (40) zu wenigstens einem vorbestimmten Zeitpunkt t_Sample innerhalb wenigstens eines vorbestimmten Betriebszustands des elektrisch betriebenen Geräts zu mehreren vorbestimmten Zeitpunkten t_Sample innerhalb vorbestimmter, sich im Wesentlichen periodisch wiederholender Betriebszustände des elektrisch betriebenen Geräts; - Ermittlung der Betriebsgröße aus der gemessenen Betriebshilfsgröße (40), nach einem Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche.

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