DE102015226076A1

DE102015226076A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Temperatur einer Komponente in einem mechatronischem System

Info

Publication number: DE102015226076A1
Application number: DE102015226076.3A
Authority: DE
Inventors: Francis Glohr; Harry Schwenk; Dirk Eisenblaetter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur (T) einer Komponente in einem mechatronischen System (1) mit mehreren Komponenten, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Temperaturbeobachtermodells, das Wärmeübergänge zwischen den Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) des mechatronischen Systems (1) und deren Wärmespeicherkapazität berücksichtigt, um eine Temperatur mindestens einer der Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) abzubilden; – Zyklisches Berechnen des Temperaturbeobachtermodells, um eine aktuelle Temperatur der mindestens einen Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) zu erhalten.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft mechatronische Systeme, insbesondere Möglichkeiten zur Bestimmung von Temperaturen von einzelnen Komponenten von mechatronischen Systemen.
Technischer Hintergrund
Mechatronische Systeme umfassen in der Regel elektrische und mechanische Komponenten sowie eine Komponente zur Umwandlung elektrischer Leistung in mechanische Leistung und/oder umgekehrt. Mechatronische Systeme weisen dazu in der Regel Sensorik, Logik und Aktorik auf, die in geeigneter Weise miteinander elektrisch gekoppelt und räumlich zueinander angeordnet sind.
Da die genaue Modellierung der Temperatur von Einzelkomponenten in einem mechatronischen System sehr hohe Anforderungen an die Rechenleistung und Abstraktion stellen, werden bislang meist stark vereinfachte Ansätze zur Bestimmung der Temperatur von einzelnen Komponenten gewählt. Solche Verfahren nutzen beispielsweise eine Messung der Bestromungsdauer und eine einfache Abkühlungskurve oder indirekt gemessene Temperaturen.
Da die Temperaturen von einzelnen Komponenten üblicherweise zur Realisierung eines thermischen Überlastschutzes bestimmt werden, führen solche in Echtzeitanwendungen übliche, minimalistische Modellierungsansätze meistens dazu, dass die Leistung der betreffenden Komponente des mechatronischen Systems bereits deutlich vor Erreichen einer komponentenspezifischen Grenztemperatur aufgrund der hohen Toleranz reduziert wird oder gegebenenfalls eine thermische Überlast nicht zuverlässig erkannt werden kann.
Aus der Druckschrift DE 102 08 115 A1 ist ein Verfahren zum Schutz vor Überlastung von Motoren elektrischer Antriebe bekannt, die zumindest eine Steuerungselektronik umfassen. Dazu erfolgt die Bestimmung der Temperatur des Motors im Betrieb. Danach folgt ein Vergleich der Umgebungstemperatur des Motors mit einer Grenztemperatur, bevor die Bestimmung der Temperaturerhöhung der Umgebung des Motors im Betrieb durchgeführt wird. An diese schließt sich die Bestimmung des Temperaturverlaufs des Motors während der Abkühlung an.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur verbesserten Bestimmung einer Temperatur von Komponenten in einem mechatronischen System zur Verfügung zu stellen, mit dem in Echtzeit Temperaturen von Komponenten in verbesserter Weise bestimmt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Bestimmen von Temperaturen von Komponenten in einem mechatronischen System nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das System gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur mindestens einer Komponente in einem mechatronischen System mit mehreren Komponenten vorgesehen, mit folgenden Schritten:

– Bereitstellen eines Temperaturbeobachtermodells, das Wärmeübergänge zwischen den Komponenten des mechatronischen Systems und deren Wärmespeicherkapazität berücksichtigt, um eine Temperatur der Komponenten abzubilden;
– Zyklisches Berechnen des Temperaturbeobachtermodells, um eine aktuelle Temperatur der mindestens einen Komponenten zu erhalten.

Mit Hilfe eines Temperaturbeobachtermodells als ein Systemmodell können unter Berücksichtigung von Wärmeeinflüssen die Temperaturen von Komponenten auch ohne Vorsehen von Temperatursensoren mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden. Die Genauigkeit reicht aus, einen thermischen Überlastschutz zu realisieren. Des Weiteren können die Wärmeübertragungen der einzelnen Komponenten zu benachbarten Komponenten oder in die Umgebung berücksichtigt werden, so dass eine Modellierungsgenauigkeit der Temperatur der Komponenten über die Genauigkeit des Wärmeübertragungsverhaltens zu benachbarten Komponenten, das die thermische Kopplung der Komponenten bestimmt, bedarfsgerecht festgelegt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, die Wärmeströme und die Temperaturverteilung unter Berücksichtigung des Wärmeübertragungsverhaltens zwischen den Komponenten und/oder zu eventuell vorhandenen Temperatursensoren mit einem Beobachteralgorithmus n-ter Ordnung abgebildet, wobei die Ordnung n der Anzahl der zu beobachtenden Zustände bzw. Komponenten entspricht.
Weiterhin kann in dem Temperaturbeobachtermodell für jede Komponente die in die Umgebung abgegebene Verlustleistung berücksichtigt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Wärmeübergänge zwischen jeweils zwei Komponenten linear abhängig von einem Temperaturunterschied zwischen den momentanen Temperaturen zwischen den jeweils zwei Komponenten dargestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren für einen Überlastschutz einer Komponente in einem mechatronischen System vorgesehen, mit folgenden Schritten:

– Bestimmen einer Temperatur einer Komponente nach dem obigen Verfahren;
– Überwachen der Temperatur der Komponente basierend auf einer für die Komponente vorgegebenen Abschalttemperaturschwelle; und
– Anpassen einer der Komponente zugeführten Leistung abhängig von einem Erreichen oder Überschreiten der Abschalttemperaturschwelle durch die bestimmte Temperatur.

Weiterhin kann das Anpassen der der mindestens einen Komponente zugeführten Leistung in mehreren Stufen oder stufenlos durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Temperatur einer Komponente in einem mechatronischen System mit mehreren Komponenten vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:

– ein Temperaturbeobachtermodell bereitzustellen, das Wärmeübergänge zwischen den Komponenten des mechatronischen Systems und deren Wärmespeicherkapazität berücksichtigt, um eine Temperatur der Komponenten abzubilden; und
– das Temperaturbeobachtermodell zyklisch zu berechnen, um eine aktuelle Temperatur mindestens einer der Komponenten zu erhalten.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Realisieren eines Überlastschutzes einer Komponente in einem mechatronischen System vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:

– eine Temperatur einer Komponente nach dem obigen Verfahren zu bestimmen;
– die Temperatur der Komponente basierend auf einer für die Komponente vorgegebenen Abschalttemperaturschwelle zu überwachen, und
– eine der Komponente zugeführten Leistung abhängig von einem Erreichen oder Überschreiten der Abschalttemperaturschwelle durch die bestimmte Temperatur anzupassen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines leistungsmechatronischen Systems mit einem Leistungsteil, einem motorischen Stellgeber, einem Entstörbauelement und einem Temperatursensor als Komponenten; und
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Begrenzen der Temperatur einer der Komponenten des leistungsmechatronischen Systems der 1.
Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist schematisch ein leistungsmechatronisches System 1 dargestellt. Das System 1 umfasst einen motorischen Stellgeber 2, der in Form eines Elektromotors oder dergleichen ausgebildet sein kann.
Der Elektromotor 2 ist in an sich bekannter Weise mit einem Entstörbauelement 3 gekoppelt, der beispielsweise als Elektrolytkondensator, Drosselspule oder dergleichen ausgebildet sein kann. In der Regel ist das Entstörbauelement 3 örtlich nah an dem motorischen Stellgeber 2 angeordnet.
Die Ansteuerung des elektromotorischen Stellgebers 2 kann über ein Leistungsteil 4 eine oder mehrere Brückenschaltungen 41, 42 ... aufweisen, die in der Regel Leistungsbauelemente, wie z.B. Transistoren, aufweisen, die über Kühlkörper die in Wärme umgewandelte Verlustleistung abgeben. Die Leistungsbauelemente der Brückenschaltungen 41 werden in der Regel mit Hilfe einer Steuereinheit 5 angesteuert, um eine vorbestimmte Leistung an den elektromotorischen Stellgeber 2 zu übertragen, der diese in mechanische Leistung umsetzt.
Es ist weiterhin ein Temperatursensor 6 vorgesehen, der an einer der Komponenten, d.h. dem elektromotorischen Stellgeber 2 oder einem der Leistungsteile 41, 42, ... angeordnet ist, um die Temperatur der betreffenden Komponente zu messen.
Jeder der Komponenten ist eine darin gespeicherte Wärmeenergie H₂, H₃, H₄₁, H₄₂ ,H₅, H₆ eine Wärmekapazität C_p2; C_p3, C_p41, C_p42, C_p5, C_p6 und eine Temperatur T₂, T₃, T₄₁, T₄₂, T₅, T₆ zugeordnet. Weiterhin ist zwischen jeder der Komponenten ein Wärmestrom Q ._2,3, Q ._6,2, allgemein Q ._k,i, von der Komponente k zur Komponente i zugeordnet, wobei jede der Komponenten weiterhin einen Wärmestrom Q .₂ ... Q .₆ an die Umgebung aufweist, der die an die Umgebung abgegebene Verlustwärme darstellt. Insbesondere ergeben sich Temperaturen der einzelnen Komponenten aus
wobei die Matrix A einer invertierten Matrix der Wärmewiderstände R_th zwischen jeweils zwei der Komponenten beschreibt.
Die Temperatur einer einzelnen Komponente ist bestimmt aus:
In diskreter Schreibweise ergibt sich
Damit ist es möglich, die Temperaturen der einzelnen Komponenten durch Berücksichtigung der Energieeinträge und Verlustleistungen durch einen Beobachteralgorithmus n-ter Ordnung abzubilden, wobei die Ordnung n der Anzahl der zu beobachtenden Komponentenzustände entspricht. Die Nichtlinearitäten resultieren vor allem aus den Wärmeübergängen zwischen jeweils zwei Komponenten, die sich näherungsweise linearisieren lassen oder bei Kenntnis von Konvektionsvorgängen auch nicht linear abschätzen lassen.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, den Energieeintrag in einzelne Komponenten abhängig von der so bestimmten Temperatur zu steuern. Es kann insbesondere eine Leistungsreduktion in mehreren Stufen oder stufenlos realisiert werden.
Durch die zentrale Berechnung der Temperaturen aller Komponenten des elektromechanischen Systems 1 können die Temperaturangaben auch in eine übergeordnete Reglerkaskade zur Verfügung gestellt werden bzw. ein Nutzer des Systems in entsprechender Weise über die Temperaturen der Komponenten informiert werden.
Insbesondere können die Abschalttemperaturschwellen mehr an der kritischen Temperatur der einzelnen Komponenten festgelegt werden, da durch das verwendete Modell sich die Temperaturen der einzelnen Komponenten genauer abschätzen lassen.
In 2 ist ein Flussdiagramm dargestellt, dass eine Überwachung einer Temperatur einer Komponente basierend auf einer mithilfe des obigen Verfahrens bestimmten Temperatur durchführt.
Dazu wird in Schritt S1 die Temperatur einer zu überwachenden Komponente gemäß dem obigen Temperaturbeobachtermodell ermittelt.
In Schritt S2 wird überprüft, ob die modellierte Temperatur der zu überwachenden Komponente eine vorgegebene Abschalttemperaturschwelle überschreitet. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so kann die Leistung, die der Komponente zugeführt wird, in Schritt S3 reduziert oder abgeschaltet werden. Andernfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10208115 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur (T) mindestens einer Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) in einem mechatronischen System (1) mit mehreren Komponenten, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Temperaturbeobachtermodells, das Wärmeübergänge zwischen den Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) des mechatronischen Systems (1) und deren Wärmespeicherkapazität berücksichtigt, um eine Temperatur (T) mindestens einer der Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) abzubilden; – Zyklisches Berechnen des Temperaturbeobachtermodells, um eine aktuelle Temperatur (T) der mindestens einen Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Temperaturbeobachtermodell für jede Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) die in die Umgebung abgegebene Verlustleistung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeübergänge zwischen jeweils zwei Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) linear abhängig von einem Temperaturunterschied zwischen den momentanen Temperaturen (T) zwischen den jeweils zwei Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) dargestellt werden.
Verfahren für einen thermischen Überlastschutz mindestens einer Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) in einem mechatronischen System (1), mit folgenden Schritten: – Bestimmen einer Temperatur mindestens einer Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3; – Überwachen der Temperatur der mindestens einen Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) basierend auf einer für die Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) vorgegebenen Abschalttemperaturschwelle; und – Anpassen einer der Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) zugeführten Leistung abhängig von einem Erreichen oder Überschreiten der Abschalttemperaturschwelle durch die bestimmte Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Anpassen der der mindestens einen Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) zugeführten Leistung in mehreren Stufen oder stufenlos durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Temperatur (T) mindestens einer Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) in einem mechatronischen System (1) mit mehreren Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: – ein Temperaturbeobachtermodell bereitzustellen, das Wärmeübergänge zwischen den Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) des mechatronischen Systems (1) und deren Wärmespeicherkapazität berücksichtigt, um eine Temperatur (T) der mindestens einen Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) abzubilden; und – das Temperaturbeobachtermodell zyklisch zu berechnen, um eine aktuelle Temperatur mindestens einer der Komponenten (2, 3, 41, 42, 5, 6) zu erhalten.
Vorrichtung zum Realisieren eines thermischen Überlastschutzes mindestens einer Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) in einem mechatronischen System (1), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: – eine Temperatur (T) mindestens einer Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zu bestimmen; – die Temperatur der Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) basierend auf einer für die Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) vorgegebenen Abschalttemperaturschwelle zu überwachen, – eine der Komponente (2, 3, 41, 42, 5, 6) zugeführten Leistung abhängig von einem Erreichen oder Überschreiten der Abschalttemperaturschwelle durch die bestimmte Temperatur anzupassen.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.