DE10215530A1

DE10215530A1 - Aktive Strombegrenzungssteuerung zur Gleichstromdrehzahlregelung

Info

Publication number: DE10215530A1
Application number: DE10215530A
Authority: DE
Inventors: Qiusheng Zhang; Ashraf Zeid
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Automotive Components Holdings LLC
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2003-03-06
Also published as: US20030039473A1; US6556778B2; GB2379101A; GB0209343D0; GB2379101B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektromotorsteuereinheit zum Regeln der Drehzahl und zum Begrenzen des Eingangsstroms für den Gleichstrommotor. Die Elektromotorsteuereinheit umfasst eine elektronische Steuereinheit, einen Stromsensor und einen Drehzahlsensor. Die Elektromotorsteuereinheit stellt eine Steuerung des Elektromotors bereit durch Anlegen einer variierenden Spannung zum Aufrechterhalten einer Elektromotordrehzahl bei Vorliegen einer variierenden Last. Die Elektromotorsteuereinheit überwacht außerdem den Eingangsstrom für den Gleichstrommotor, um einen Eingangsstrom für den Gleichstrommotor vorherzusagen. Die ECU vergleicht den vorhergesagten Eingangsstrom mit einem Eingangsstromgrenzbereich und schaltet auf eine Strombegrenzungsbetriebsart um, wenn sie ermittelt, dass eine Überstrombedingung auf Grundlage des Vergleichs erreicht ist. Die Elektromotorsteuereinheit modifiziert das Steuersignal mit einem ersten Steuerdämpfungsfaktor, wenn der vorhergesagte Eingangsstrom den Eingangsstromgrenzbereich übersteigt. Die Elektromotorsteuereinheit modifiziert das Steuersignal mit einem zweiten Steuerdämpfungsfaktor, wenn der vorhergesagte Eingangsstrom innerhalb eines Eingangsstromgrenzbereichs liegt. Wenn der Eingangsstrom sich auf einen geringeren Wert als den Eingangsstromgrenzbereich stabilisiert hat, modifiziert die Elektromotorsteuereinheit eine Sollmotordrehzahl zur Rückführung auf eine Drehzahlregulierungsbetriebsart.

Description

Die Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet von Elektromotorsteuereinheiten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine aktive Drehzahlregelung und eine Strombegrenzungselektromotorsteuereinheit für Gleichstrommotoren sowie diesbezügliche Verfahren.
Ein Gleichstrommotor arbeitet mit Drehzahlen, die bei Änderung der Lasten variieren, die an den Gleichstrommotor angelegt werden, und mit einer Eingangsspannung, die an einen Eingang für den Gleichstrommotor angelegt ist. Elektrische Steuereinheiten (im Folgenden abgekürzt als ECU bezeichnet), die mit dem Eingang des Gleichstrommotors verbunden sind, werden üblicherweise verwendet, um die Drehzahl des Gleichstrommotors zu regeln. Die ECU steuert die Drehzahl des Gleichstrommotors durch Steuern der Eingangsspannung, ansprechend auf die Drehzahl des Gleichstrommotors. Die ECU überwacht die Drehzahl und stellt die Eingangsspannung ein, um Differenzen der Drehzahl von einer programmierten Solldrehzahl zu kompensieren.
In einer herkömmlichen Konfiguration ist die ECU mit elektronischen Sensoren verbunden, die Signale erzeugen, die mit der tatsächlichen Drehzahl des Elektromotors verbunden sind. Die ECU vergleicht die tatsächliche Drehzahl mit der gewünschten Solldrehzahl, die in der ECU programmiert ist. Wenn die ECU ermittelt, dass die tatsächliche Motordrehzahl sich von der gewünschten bzw. Sollmotordrehzahl unterscheidet, berechnet die ECU eine neue Eingangsspannung zum Kompensieren der Differenz in Übereinstimmung mit bekannten Elektromotorsteueralgorithmen. Die ECU variiert daraufhin die Eingangsspannung auf eine berechnete Eingangsspannung zum Einstellen der Elektromotordrehzahl in Richtung auf die programmierte Elektromotordrehzahl.
Eingangstrom in den Gleichstrommotor hängt außerdem ab von der Last am Gleichstrommotor und dessen Drehzahl. Wenn die Last am Elektromotor zunimmt, nimmt auch der Eingangsstrom in den Elektromotor zu. Wenn die Elektromotordrehzahl relativ zu einer existierenden Last am Gleichstrommotor zu groß wird, nimmt der Eingangsstrom in den Gleichstrommotor ebenfalls zu. Um eine Beschädigung des Gleichstrommotors und der Eingangsschaltung für den Gleichstrommotor zu verhindern, kann der Eingangsstrom auf ein Maximum begrenzt werden.
Ein Verfahren zum Begrenzen des Stroms für den Gleichstrommotor umfasst das Implementieren von Hardwarevorrichtungen, die die Eingangsspannung und den Eingangsstrom in bzw. an den Gleichstrommotor unterbrechen, wenn ermittelt wird, dass der Eingangsstrom einen Maximalwert übersteigt. Hardwareimplementierungen können das Durchbrennen einer Reihenschaltungssicherung oder das Auslösen einer rückstellbaren Stromkreisunterbrechung umfassen, wenn der Eingangsstrom das Maximum übersteigt. Weitere Hardwareimplementierungen umfassen das Öffnen eines in Reihe geschalteten Transistors, wenn der Maximalstrom ermittelt wird. Da der Gleichstrommotor vollständig abgeschaltet wird, können die Hardwareimplementierungen für bestimmte Anwendungen unerwünscht sein. Beispielsweise kann das erneute Starten des Gleichstrommotors eine zeitaufwendige Wiederstartprozedur erfordern, die unerwünscht lange Abschaltzeit erfordert. In anderen Anwendungen ist der kontinuierliche Betrieb des Gleichstrommotors kritisch, so dass der maximale Strompegel mit einem konservativ hohen Pegel gewählt wird und keinen angemessenen Schutz für den Gleichstrommotor und die Eingangsschaltung bereit stellt.
Die ECU kann so programmiert sein, dass der Eingangsstrom unter Verwendung einer Gleichstromsteuerrückkopplung begrenzt wird. Die Technik umfasst das Messen des Eingangsstroms in der ECU, während die Eingangsspannung variiert bzw. verändert wird, um die Gleichstrommotordrehzahl zu steuern. Wenn ein maximaler Eingangsstrom überschritten wird, variiert die ECU die Eingangsspannung zur Verringerung des Eingangsstroms. Da die Eingangsspannung verringert wird, wird auch die Drehzahl des Elektromotors verringert, zu deren Steuerung die ECU programmiert ist. Die ECU ermittelt daraufhin die verringerte Drehzahl und führt eine Kompensation durch durch Erhöhen der Eingangsspannung. Die ECU kann dadurch die Eingangsspannung zyklisch erhöhen und erniedrigen, bis die Drehzahl auf die gewünschte Drehzahl bzw. Solldrehzahl erneut vergleichmäßigt ist. Eine für die Gleichstromsteuerungsrückkopplung programmierte ECU steht jedoch den Zielen zur Drehzahlregelung entgegen.
Ein weiteres Verfahren zur Gleichstromsteuerung umfasst das Programmieren der ECU dahingehend, dass der Eingangsstrom digital abgetastet und der Eingangsstrom auf Grundlage der digitalen Abtastung eingestellt wird. Da der Eingangsstrom jedoch schneller variiert als die Gleichstrommotordrehzahl, kann die Abtastfrequenz für die Drehzahlregelung zu niedrig sein, um auch die Eingangsstromdynamik wirksam zu steuern. Eine Erhöhung der Abtastrate zum Bereitstellen einer effektiven Steuerung für die Eingangsstromdynamik führt zu einer Erhöhung der Kosten beim Bereitstellen der Gleichstrommotorsteuerung. Das Programmieren der ECU mit doppelter Abtastrate erhöht außerdem die Komplexität der Gleichstromsteuerung und die Kosten hierfür.
Es besteht deshalb ein Bedarf an einer ECU zum Bereitstellen einer aktiven Strombegrenzungssteuerung für Gleichstrommotoren unter Bereitstellen einer Drehzahlregelung für den Gleichstrommotor mit relativ niedriger und effizienter Abtastrate.
Erreicht wird dieses Ziel durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 14 bzw. 21. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst demnach die Elektromotorsteuereinrichtung eine programmierbare elektronische Steuereinheit (ECU), die so konfiguriert ist, dass sie die Drehzahl des Elektromotors unter variierenden Lastbedingungen steuert und außerdem einen Eingangsstrom für den Gleichstrommotor aktiv begrenzt. Die ECU ist so konfiguriert, dass sie eine Drehzahlsteuerung für den Gleichstrommotor bereit stellt, während sie einen Überstromschutz für den Gleichstrommotor aktiv bereit stellt. Die Elektromotorsteuereinheit erbringt eine Anzahl von Vorteilen im Vergleich zu den Elektromotorsteuereinheiten gemäß dem Stand der Technik, die einen Überstromschutz durch Einsatz von Hardwarevorrichtungen, wie etwa Relais oder Wärmeabschalteinrichtungen, und Softwaretechniken bereit stellt, wie etwa Gleichstromsteueralgorithmen.
In einer Ausführungsform umfasst eine Einheit zur aktiven Drehzahlregelung und Strombegrenzung von Gleichstrommotorsteuereinheiten einen Drehzahlsensor, einen Stromsensor, der mit einem Eingang des Gleichstrommotors verbunden ist, den Stromsensor und eine elektronische Steuereinheit (ECU). Der Drehzahlsensor kann mechanisch mit dem Elektromotor verbunden und so konfiguriert sein, dass er ein elektrisches Signal erzeugt, das mit einer Drehzahl eines Gleichstrommotors im Zusammenhang steht bzw. verbunden ist. Der Drehzahlsensor umfasst einen Drehzahlsensorausgang, an dem ein elektrisches Signal bereit gestellt wird. Der Stromsensor kann auch mit einem Gleichstrommotoreingang verbunden sein. Der Stromsensor ist so konfiguriert, dass er ein elektrisches Signal erzeugt, das mit einem Strompegel am Gleichstrommotoreingang in Verbindung steht. Das Stromsignal wird an einem Stromsensorausgang bereit gestellt.
Die ECU umfasst einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang. Der erste Eingang ist mit dem Drehzahlsensorausgang verbunden und so konfiguriert, dass er das Drehzahlsignal empfängt, und der zweite Eingang ist mit dem Stromsensorausgang verbunden und so konfiguriert, dass er das Stromsignal empfängt. Die ECU dient dazu, ein Elektromotorsteuersignal am Ausgang zu erzeugen bzw. bereit zu stellen. Das Elektromotorsteuersignal beruht auf einem Vergleich des Drehzahlsignals am ersten Eingang mit einer programmierbaren Solldrehzahl. Die ECU ist so programmiert, dass sie das Steuersignal auf Grundlage eines Vergleichs des Stromsignals am zweiten Eingang mit einem programmierten Eingangsstromgrenzbereich modifiziert. Wenn die ECU ermittelt, dass der Eingangsstrom innerhalb des Eingangsstromgrenzbereichs liegt oder außerhalb von diesem, modifiziert die ECU das Steuersignal mit einem Steuerdämpfungsfaktor. Die ECU kann eine programmierbare Proportional-Integralableitungs-(PID)-Steuereinheit enthalten, die in der Lage ist, Eingangssignale von Sensoren zu akzeptieren, die Eingangssignale mit vorbestimmten Werten zu vergleichen und ein Ausgangssignal auf Grundlage des Vergleichs der Eingangssignale mit den vorbestimmten Werten zu erzeugen. Die Steuerdämpfungsfaktoren können so gewählt sein, dass sie die gewünschten Strombegrenzungen für die spezielle Anwendung bereit stellen.
Eine Ausführungsform für ein Verfahren zum Regeln der Gleichstrommotordrehzahl umfasst folgende Schritte: Überwachen einer Drehzahl des Gleichstrommotors zum Ermitteln, ob die Drehzahl mit einer Solldrehzahl übereinstimmt; Erzeugen eines Elektromotorsteuersignals, ansprechend auf den Ermittlungsvergleich des Drehzahlsignals mit einer Solldrehzahl; Überwachen eines Eingangsstroms für den Gleichstrommotor zum Ermitteln, ob ein Eingangsstrom für den Gleichstrommotor mit einem Eingangsstromgrenzbereich übereinstimmt; und Modifizieren des Elektromotorsteuersignals durch einen ersten Steuerdämpfungsfaktor, wenn ermittelt wird, dass der Eingangsstrom den Eingangsstromgrenzbereich übersteigt. Das Verfahren kann außerdem das Modifizieren des Elektromotorsteuersignals mit einem zweiten Steuerdämpfungsfaktor vorsehen, wenn ermittelt wird, dass der Eingangsstrom im Wesentlichen innerhalb des Eingangsstromgrenzbereichs liegt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; in dieser zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer aktiven Drehzahlbegrenzungs- und Strombegrenzungsgleichstrommotorsteuereinheit, und
Fig. 2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform für ein Verfahren zum Regeln der Motordrehzahl.
Die vorliegend erläuterten Ausführungsformen beziehen sich auf eine Gleichstrommotorsteuereinheit und ein Verfahren zum Betreiben derselben. Die Gleichstrommotorsteuereinheit ist mit einem Gleichstrommotor verbunden. Der Begriff "verbunden mit" bedeutet vorliegend eine direkte oder indirekte Verbindung durch eine oder mehrere Zwischenkomponenten. Diese Zwischenkomponenten können sowohl hardware- wie softwarebasierende Komponenten umfassen.
Die dargestellten Ausführungsformen stellen eine Elektromotorsteuereinheit bereit, die betreibbar ist, um eine aktive Drehzahlsteuerung und einen Überstromschutz für einen Gleichstrommotor bereit zu stellen. In der Ausführungsform ist der Gleichstrommotor so konfiguriert, dass er ein Bedarfsdrehmoment für ein elektrisches/hydraulisches Servolenksystem bereit stellt, das für Kraftfahrzeuge bestimmt ist. Die Elektromotorsteuereinheit kann eine programmierbare elektronische Steuereinheit (ECU) und Sensoren umfassen, die konfiguriert sind, Betriebsparameter des Elektromotors, wie etwa dessen Ausgangsstrom und Drehzahl zu ermitteln. Die Elektromotorsteuereinheit ist mit einer Solldrehzahl für den Gleichstrommotor programmiert. Die Elektromotorsteuereinheit überwacht die Drehzahl des Gleichstrommotors unter variierenden Lastbedingungen. Die Elektromotorsteuereinheit erzeugt ein Steuersignal für den Gleichstrommotor, um die tatsächliche Drehzahl in Richtung auf die Solldrehzahl aktiv einzustellen. Die Elektromotorsteuereinheit erzeugt Steuersignale für den Gleichstrommotor in Übereinstimmung mit bekannten Elektromotorsteuerverfahren und -algorithmen.
Die Elektromotorsteuereinheit ist außerdem so konfiguriert, dass sie den Eingangsstrom für den Gleichstrommotor überwacht. Wenn die Elektromotorsteuereinheit ermittelt, dass der Eingangsstrom einen Eingangsstromgrenzbereich für den Gleichstrommotor übersteigt, modifiziert die ECU das Steuersignal mit einem ersten Steuerdämpfungsfaktor. Wenn die ECU ermittelt, dass der Eingangsstrom innerhalb des Eingangsstromgrenzbereichs liegt, modifiziert die ECU das Steuersignal mit einem zweiten Steuerdämpfungsfaktor. Keine Modifikationen werden in Bezug auf Steuersignale durchgeführt, wenn ermittelt wird, dass der Eingangsstrom kleiner als der Eingangsstromgrenzbereich ist.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer aktiven Strombegrenzungs- und Drehzahlregulierelektromotorsteuereinheit 100. Die Elektromotorsteuereinheit 100 ist mit einem Gleichstrommotor 108 verbunden. Der Gleichstrommotor 108 weist einen Rotor 112 auf, der durch eine bestimmte Drehzahl charakterisiert ist. Die Drehzahl des Rotors 112 bezieht sich sowohl auf die Eingangsspannung des Gleichstrommotors wie auf die Höhe der Last 110. Bei konstanter Last 110 am Gleichstrommotor 108 führt eine Erhöhung der Eingangsspannung zu einer Erhöhung der Drehzahl des Gleichstrommotors. Eine Verringerung der Eingangsspannung führt hingegen zu einer Verringerung der Drehzahl des Rotors 112. Wenn an den Gleichstrommotor 108 eine konstante Spannung angelegt wird, nimmt die Drehzahl bei Erhöhung der Last 110 ab, und zu bei einer Verringerung der Last 110.
Der Gleichstrommotor 108 kann auch eine beliebige andere Art eines Gleichstrommotors sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Gleichstrommotor um einen Gleichstromschrittmotor oder um einen bürstenlosen Gleichstrommotor handeln. Die Größe eines herkömmlichen Gleichstrommotors 108 ist charakterisiert durch eine Eingangsnenngröße einschließlich einer Eingangsstromnenngröße und einer Eingangsspannungsnenngröße. Die Größe des Gleichstrommotors kann auch durch seine Pferdestärkenleistung festgelegt werden. Da die Größe des Elektromotors von der Last 110 abhängt, wird die Größe des Gleichstrommotors auf Grundlage der Belastung durch die Last 110 gewählt.
Die Elektromotorsteuereinheit 100 ist so konfiguriert, dass sie die Drehzahl des Gleichstrommotors 108 regelt, der mechanisch mit einer variierenden Last 110 verbunden ist. Die Elektromotorsteuereinheit 100 steuert die Drehzahl des Gleichstrommotors 108 durch Variieren der Eingangsspannung, die an den Gleichstrommotor 108 angelegt ist, um Änderungen der Last 110 zu kompensieren. In einer Ausführungsform kann es sich bei der Last 110 um eine Hydraulikpumpe handeln, die für ein elektrisches/hydraulisches Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug einen Hydraulikdruck bereit stellt. Der Hydraulikdruck wird in mechanische Energie umgesetzt und genutzt, um das Kraftfahrzeug beim Lenken zu unterstützen, wenn ein Fahrer das Servolenksystem aktiviert. Die Last 110, die auf den Gleichstrommotor 108 einwirkt, variiert mit variierenden Antriebsbedingungen. Wenn beispielsweise ein Fahrer ein Lenksystem des Kraftfahrzeugs manipuliert, nimmt die Last zu, die auf das Servolenksystem einwirkt. Während Fahrbedingungen, die eine minimale Manipulation des Lenksystems erfordern (beispielsweise bei einer im Wesentlichen Geradeausfahrt), wird auch die Last minimal. Unter Antriebsbedingungen, die eine zusätzliche Manipulation des Lenksystems erfordern (beispielsweise beim Lenken des Fahrzeugs um 90 Grad), nimmt auch die Last 110 zu, die auf den Gleichstrommotor 108 einwirkt. Damit das elektrohydraulische Servolenksystem einen gleichmäßigen Betrieb für das Lenksystem unter variierenden Lastbedingungen bereit stellt, variiert die Drehzahl des Elektromotors 108 zum Kompensieren von Änderungen der variierenden Last 110. Die Elektromotorsteuereinheit 100 ist so konfiguriert, dass sie die Drehzahl des Gleichstrommotor 108 bedarfsweise bei Änderungen der Last 110 regelt.
Die Elektromotorsteuereinheit umfasst einen Stromsensor 104, einen Drehzahlsensor 106 und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 102. Der Stromsensor 104 ist zwischen die ECU 102 und den Gleichstrommotor 108 in Reihe geschaltet. Der Stromsensor überwacht den Eingangsstrom und die Eingangsspannung für den Gleichstrommotor 108. Der Stromsensor 104 erzeugt ein Signal, das mit dem Eingangsstrom verbunden ist. Das Stromsignal wird an einem Stromsensorausgang bereit gestellt.
Der Drehzahlsensor 106 ist so konfiguriert, dass er die Drehzahl des Gleichstrommotors 108 überwacht. Der Drehzahlsensor 106 erzeugt ein Signal, das mit der Drehzahl des Gleichstrommotors 108 in Verbindung steht. Das Drehzahlsignal wird am Ausgang des Drehzahlsensors 106 bereit gestellt.
In einer Ausführungsform weist die ECU einen ersten Eingang 114, einen zweiten Eingang 116 und einen Ausgang 118 auf. Der ECU-Ausgang 118 ist mit dem Gleichstrommotor 108 über den Stromsensor 104 verbunden. Der erste Eingang 114 ist mit dem Ausgang des Drehzahlsensors 106 verbunden. Der zweite Eingang 116 ist mit dem Ausgang des Stromsensors verbunden.
Die ECU 102 ist so konfiguriert, dass sie die Drehzahl des Elektromotors 108 überwacht, die über den Drehzahlsensor 106 mitgeteilt wird. Die ECU 102 tastet das Drehzahlsignal ab, das durch den Drehzahlsensor 106 am ersten Eingang 114 bereit gestellt wird. Auf Grundlage des Abtastsignalwerts ermittelt die ECU, ob die Drehzahl des Elektromotors 108 eingestellt werden muss. Die ECU ist dahingehend programmiert, das Drehzahlsignal mit einer Abtastrate abzutasten, von der bekannt ist, dass sie eine effiziente Drehzahlsteuerung für den Gleichstrommotor 108 ergibt.
Die ECU 102 kann extern mit einer Solldrehzahl des Gleichstrommotors 108 programmiert werden. Die ECU 102 vergleicht die tatsächliche Geschwindigkeit, wie sie aus dem Drehzahlsignal abgetastet wird, das am ersten Eingang 114 bereit gestellt wird, mit der programmierten Solldrehzahl. Wenn die ECU 102 ermittelt, dass zwischen der tatsächlichen Drehzahl und der programmierten Solldrehzahl eine Differenz vorliegt, erzeugt die ECU 102 ein Elektromotorsteuersignal am ECU- Ausgang 118. Das Elektromotorsteuersignal stellt die Eingangsspannung zum Steuern der Drehzahl des Gleichstrommotors 108 bereit. Das Elektromotorsteuersignal wird über den Stromsensor 104 an den Gleichstrommotor 108 angelegt. In Reaktion auf das Elektromotorsteuersignal wird die Drehzahl des Gleichstrommotors 108 so eingestellt, dass die Differenz zwischen der tatsächlichen Drehzahl und der Solldrehzahl kompensiert ist.
Die ECU 102 ist auch dazu konfiguriert, den Eingangsstrom für den Gleichstrommotor 108 zu überwachen. Die ECU 102 kann extern mit einem Solleingangsstromgrenzbereich programmiert werden. Der Eingangsstromgrenzbereich kann eine obere Grenze aufweisen, die im Wesentlichen gleich oder höher als der nominale Eingangsstromnennwert für den Gleichstrommotor 108 ist. Unter bestimmten Umständen kann die obere Grenze den Nennwert des Gleichstrommotors 108 um einen Prozentsatz übersteigen, der ausreicht, für den Elektromotor ausreichend Betriebseffizienz bereit zu stellen und gleichzeitig den Gleichstrommotor 108 angemessen zu schützen. Der Eingangsstromgrenzbereich weist eine untere Grenze auf, bei der es sich um einen Prozentsatz des Elektromotornennwerts handelt. Beispielsweise für einen Gleichstrommotor mit einem Eingangsstromnennwert von 10 Ampere kann der Eingangsstromgrenzbereich eine obere Grenze von 10 Ampere und eine untere Grenze von 9 Ampere oder 90% des Gleichstrommotornennwerts aufweisen. Der Eingangsstromgrenzbereich kann ausgewählt werden auf Grundlage der Größe und des Typs des Motors und der Anwendung des Gleichstrommotors 108. In einer Ausführungsform beträgt die obere Grenze 100% des Gleichstrommotoreingangsstromnennwerts, und die untere Grenze beträgt im Wesentlichen 90% des Gleichstrommotoreingangsstromnennwerts. In einer anderen Ausführungsform beträgt die obere Grenze 100% des Gleichstrommotoreingangsstromnennwerts, und die untere Grenze beträgt 95% des Gleichstrommotoreingangsstromnennwerts.
Die ECU 102 empfängt das Stromsignal von dem Stromsensor 104 am zweiten Eingang 116. Die ECU 102 tastet das Stromsignal ab, um zu ermitteln, ob das Steuersignal modifiziert werden muss. Die ECU 102 tastet das Stromsignal und das Drehzahlsignal mit im Wesentlichen derselben Abtastrate ab. Die ECU 102 kann so konfiguriert sein, dass sie den Eingangsstrom für den Gleichstrommotor 108 in Übereinstimmung mit der folgenden Approximationsgleichung erster Ordnung vorhersagt:

I_k+1 = I_k + [I_k - I_k-1] Gleichung 1
Während einer Abtastperiode "k" wird der Eingangsstrom "I_k" von dem Stromsensor 104 abgetastet. Der Eingangsstrom für eine darauf folgende Abtastperiode I_k±1 wird auf Grundlage des Änderungsausmaßes des Eingangsstroms, ausgehend von einer vorausgehenden Abtastperiode [I_k - I_k-1] ermittelt. Der Eingangsstrom für die nächste Abtastperiode I_k+1 kann dadurch vorhergesagt werden. Die ECU 102 kann auch so konfiguriert sein, dass sie den Eingangsstrom für den Gleichstrommotor 108 in Übereinstimmung mit Approximationsgleichungen höheren Grades vorhersagt. Beispielsweise kann die ECU in Übereinstimmung mit der folgenden Approximationsgleichung zweiter Ordnung programmiert sein:

I_k+1 = I_k + [I_k - I_k-i] + S.[I_k - 2.I_k-1 + I_k-2] Gleichung 2
Die ECU 102 vergleicht den vorhergesagten Eingangsstrom mit dem programmierten Eingangsstromgrenzbereich. Wenn ermittelt wird, dass der vorhergesagte Eingangsstrom eine Überstrombedingung erreicht hat, schaltet die ECU auf eine Strombegrenzungsbetriebsart um. Wenn beispielsweise vorhergesagt wird, dass der Eingangsstrom den Eingangsstromgrenzbereich übersteigt, modifiziert die ECU 102 das Steuersignal mit einem ersten Steuerdämpfungsfaktor. Wenn die ECU 102 ermittelt, dass der Eingangsstrom im Eingangsstromgrenzbereich liegt, modifiziert die ECU das Steuersignal mit einem zweiten Steuerdämpfungsfaktor. Wenn ermittelt wird, dass der Eingangsstrom unter dem Eingangsstromgrenzbereich liegt, wird das Steuersignal nicht modifiziert.
Die Werte für den ersten Steuerdämpfungsfaktor und den zweiten Steuerdämpfungsfaktor sind so ausgewählt, dass ein gleichmäßiges und rasches Kompensieren einer Überstrombedingung bereit gestellt wird, ohne Überschwingen oder übermäßige Oszillation der Drehzahl. In einer Ausführungsform kann der erste Steuerdämpfungsfaktor einen beliebigen Wert zwischen 0,99 und 0,95 aufweisen, und der zweite Steuerdämpfungsfaktor kann einen beliebigen Wert zwischen 1,0 und 0,97 aufweisen. Das Steuersignal für den Gleichstrommotor 108 kann dadurch um 1% bis 5% modifiziert werden, wenn der Eingangsstrom den Eingangsstromgrenzbereich übersteigt. Es ist erwünscht, dass der zweite Steuerdämpfungsfaktor das Steuersignal mit einem kleineren Faktor modifiziert als der erste Steuerdämpfungsfaktor. Wenn eine Überstrombedingung auftritt, geht deshalb die ECU 102 gleichmäßig über von der Drehzahlregelungsbetriebsart in die Strombegrenzungsbetriebsart zum Bereitstellen einer effizienten aktiven Strombegrenzungssteuerung für den Gleichstrommotor.
Wenn der vorhergesagte Eingangsstrom innerhalb des Eingangsstromgrenzbereichs liegt, wird das Steuersignal mit dem zweiten Steuerdämpfungsfaktor modifiziert. Wenn das Steuersignal modifiziert wird bzw. ist, wird die Eingangsspannung für den Elektromotor 108 verringert. Der Gleichstrommotor 108 setzt deshalb seinen Betrieb fort, jedoch mit einer niedrigeren Eingangsspannung. Die ECU 102 setzt den Betrieb in der Strombegrenzungsbetriebsart fort, während ermittelt wird, dass der vorhergesagte Eingangsstrom den Eingangsstromgrenzbereich übersteigt oder innerhalb des Eingangsstromgrenzbereichs liegt. Wenn ermittelt wird, dass der vorhergesagte Eingangsstrom für den Gleichstrommotor 108 geringer als der Eingangsstromgrenzbereich bzw. kleiner als dieser ist, geht die ECU 102 in eine Drehzahlregelungsbetriebsart über und das Steuersignal wird nicht modifiziert.
Bei einer Ausführungsform kann der Eingangsstromgrenzbereich variieren. Wenn die ECU 102 beispielsweise ermittelt, dass der vorhergesagte Eingangsstrom im Wesentlichen niedriger als die untere Grenze des Eingangsstromgrenzbereichs ist, kann die ECU 102 den Eingangsstromgrenzbereich dahingehend modifizieren, die Größe des Bereichs zu verringern. Wenn ein starkes Überschwingen des Eingangsstromgrenzbereichs auftritt bzw. wenn dieser stark überschritten wird, kann die ECU 102 die untere Grenze und die obere Grenze des Eingangsstromgrenzbereichs auf die anfänglich programmierten Werte rücksetzen.
Bei der ECU 102 kann es sich um eine beliebige elektronische Elektromotorsteuereinheit handeln, die konfiguriert ist, eine Gleichstrommotordrehzahlregelung in Übereinstimmung mit bekannten Steueralgorithmen und Elektromotorsteuerprinzipien auszuführen. In einer Ausführungsform handelt es sich bei der ECU 102 um eine Proportional-Integralableitungs-("PID")- Steuereinheit mit Optimalwertsteuerung und Drallverhinderungssteuerung.
In Fig. 2 ist ein Flussdiagramm 200 für eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors gezeigt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Überwachen 202 einer Drehzahl des Gleichstrommotors; Erzeugen 204 eines Elektromotorsteuersignals; Überwachen 206 eines Eingangsstroms für den Gleichstrommotor; und Modifizieren 208 des Elektromotorsteuersignals in Reaktion auf den Eingangsstrom.
Der Überwachungsschritt 202 umfasst eine Ermittlung, ob die Drehzahl mit einer Solldrehzahl übereinstimmt. Der Schritt 204 zum Erzeugen eines Steuersignals wird in Reaktion auf die Ermittlung durchgeführt, die während des Schritts 202 zur Überwachung der Drehzahl erfolgt. Das Steuersignal kompensiert eine Differenz zwischen der Drehzahl und der Solldrehzahl. Der Schritt 206 zum Überwachen des Eingangsstroms umfasst das Ermitteln, ob ein vorhergesagter Eingangsstrom in den Gleichstrommotor mit einem Eingangsstromgrenzbereich übereinstimmt. Der Schritt 208 zum Modifizieren des Steuersignals umfasst das Einstellen des Steuersignals mit einem ersten Steuerdämpfungsfaktor, wenn ermittelt wird, dass der vorhergesagte Eingangsstrom den Eingangsstromgrenzbereich übersteigt. Der Schritt 208 zum Modifizieren des Steuersignals kann auch das Modifizieren des Steuersignals mit einem zweiten Steuerdämpfungsfaktor umfassen, wenn ermittelt wird, dass der vorhergesagte Eingangsstrom innerhalb des Eingangsstromgrenzbereichs liegt. Es ist erwünscht, dass der zweite Dämpfungsfaktor das Steuersignal mit einem kleineren Faktor modifiziert als der erste Steuerdämpfungsfaktor. In einer Ausführungsform kann der erste Dämpfungsfaktor einen beliebigen Wert von 0,99 bis 0,95 aufweisen, und der zweite Dämpfungsfaktor kann einen beliebigen Wert zwischen 1,0 und 0,97 aufweisen.
Während vorstehend bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und erläutert worden sind, sind diese zahlreichen Modifikationen und Abwandlungen zugänglich. Es wird bemerkt, dass die vorstehend erläuterten Ausführungsformen weitgehend geändert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Verschiedene ECUs können beispielsweise verwendet werden, um einen beliebigen Gleichstrommotor zu steuern, der für spezielle Lasten ausgelegt ist. Sämtliche der genannten Modifikationen und Abwandlungen fallen unter den Umfang der vorliegenden Erfindung, die in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Aktive Drehzahlregelungs- und Strombeschränkungsgleichstrommotorsteuereinheit, aufweisend:
einen Drehzahlsensor zum Erzeugen einer Drehzahl eines einem Gleichstrommotor zugeordneten Signals, das an einem Drehzahlsensorausgang bereit gestellt wird,
einen Stromsensor, der mit einem Eingang des Gleichstrommotors verbunden ist, zum Erzeugen eines Signals, das mit einem Eingangsstrompegel des Gleichstrommotors verbunden ist, wobei das Stromsignal an einem Stromsensorausgang bereit gestellt wird, und
eine elektronische Steuereinheit (ECU) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, wobei der erste Eingang mit dem Drehzahlsensorausgang verbunden und dazu ausgelegt ist, das Drehzahlsignal zu empfangen, wobei der zweite Eingang mit dem Stromsensorausgang verbunden und dazu ausgelegt ist, das Stromsignal zu empfangen, wobei die ECU zum Erzeugen eines Elektromotorsteuersignals an ihrem Ausgang auf Grundlage eines Vergleichs des Drehzahlsignals am ersten Eingang mit einer programmierten Solldrehzahl sowie dazu ausgelegt ist, das Steuersignal auf Grundlage eines Vergleichs eines vorhergesagten Eingangsstroms mit einem programmierten Eingangsstromgrenzbereich zu modifizieren, wobei der vorhergesagte Eingangsstrom durch die ECU auf Grundlage des Stromsignals ermittelt wird.

2. Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei die ECU das Steuersignal mit einem ersten Steuerdämpfungsfaktor modifiziert, wenn der vorhergesagte Eingangsstrom den Eingangsstromgrenzbereich übersteigt.

3. Steuereinheit nach Anspruch 2, wobei die ECU das Steuersignal mit einem zweiten Steuerdämpfungsfaktor modifiziert, wenn der vorhergesagte Eingangsstrom im Wesentlichen innerhalb des Eingangsstromgrenzbereichs zu liegen kommt.

4. Steuereinheit nach Anspruch 3, wobei der erste Steuerdämpfungsfaktor zwischen ungefähr 0,99 und ungefähr 0,95 liegt.

5. Steuereinheit nach Anspruch 4, wobei der zweite Steuerdämpfungsfaktor zwischen ungefähr 0,97 und ungefähr 1,0 liegt.

6. Steuereinheit nach Anspruch 5, wobei der Gleichstrommotor gekennzeichnet ist durch einen Eingangsstromnennwert, und wobei der Eingangsstromgrenzbereich zwischen im Wesentlichen hundert Prozent des Eingangsstromnennwerts und im Wesentlichen neunzig Prozent des Eingangstromnennwerts liegt.

7. Steuereinheit nach Anspruch 6, wobei der Eingangsstromgrenzbereich variabel zwischen im Wesentlichen hundert Prozent des Eingangsstromnennwerts und im Wesentlichen neunzig Prozent des Eingangsstromnennwerts gesteuert wird.

8. Steuereinheit nach Anspruch 7, wobei der Eingangsstromgrenzbereich zwischen im Wesentlichen hundert Prozent des Eingangsstromnennwerts und im Wesentlichen fünfundneunzig Prozent des Eingangsstromnennwerts liegt.

9. Steuereinheit nach Anspruch 8, wobei der Eingangsstromgrenzbereich variabel zwischen im Wesentlichen hundert Prozent des Eingangsstromnennwerts und im Wesentlichen fünfundneunzig Prozent des Eingangstromnennwerts gesteuert wird.

10. Steuereinheit nach Anspruch 9, wobei die ECU eine Proportional-/Integralableitungs-("PID") -Elektromotorsteuereinheit umfasst.

11. Steuereinheit nach Anspruch 10, wobei die PID dazu ausgelegt ist, unter Verwendung eines Optimalwertsteuerungs- und Drallverhinderungssteuerungsalgorithmus betrieben zu werden.

12. Steuereinheit nach Anspruch 11, wobei die ECU den vorhergesagten Eingangsstrom auf Grundlage einer Approximation erster Ordnung vorhersagt.

13. Steuereinheit nach Anspruch 11, wobei die ECU den vorhergesagten Eingangsstrom auf Grundlage einer Approximation zweiter Ordnung vorhersagt.

14. Aktive Elektromotorsteuereinheit, aufweisend:
einen Gleichstrommotor mit einem Eingang zum Empfangen eines Eingangsstrom, wobei der Gleichstrommotor eine Drehwelle aufweist, die durch eine Drehzahl charakterisiert ist,
eine Stromerfassungseinrichtung, die mit dem Gleichstrommotor zum Erzeugen eines Stromsignals verbunden ist, das mit dem Eingangsstrom in Verbindung steht,
eine Drehzahlerfassungseinrichtung, die mit dem Gleichstrommotor zum Erzeugen eines Drehzahlsignals verbunden ist, das mit der Drehzahl der Drehwelle in Verbindung steht, und
eine Drehzahlsteuereinrichtung, die mit der Stromerfassungseinrichtung und mit der Drehzahlerfassungseinrichtung verbunden ist, um einen Eingangsstrom vorherzusagen und die Drehzahl des Gleichstrommotors auf Grundlage eines Vergleichs des Drehzahlsignals mit einer programmierten Solldrehzahl für den Gleichstrommotor zu steuern und um das Elektromotorsteuersignal auf Grundlage eines Vergleichs des vorhergesagten Eingangsstroms mit einem programmierten Eingangsstromgrenzbereich zu modifizieren.

15. Steuereinheit nach Anspruch 14, wobei die Drehzahlsteuereinrichtung das Elektromotorsteuersignal mit einem ersten Steuerdämpfungsfaktor modifiziert, wenn der vorhergesagte Eingangsstrom einen Eingangsstromgrenzbereich übersteigt, und das Steuersignal mit einem zweiten Steuerdämpfungsfaktor modifiziert, wenn der Stromsignalpegel im Wesentlichen innerhalb des Eingangstromgrenzbereichs liegt.

16. Steuereinheit nach Anspruch 15, wobei der erste Steuerdämpfungsfaktor zwischen im Wesentlichen 0,99 und im Wesentlichen 0,95 liegt.

17. Steuereinheit nach Anspruch 16, wobei der zweite Steuerdämpfungsfaktor zwischen im Wesentlichen 1,0 und 0,97 liegt.

18. Steuereinheit nach Anspruch 17, wobei der Gleichstrommotor gekennzeichnet ist durch einen Eingangsstromnennwert, und wobei der Eingangsstromgrenzbereich zwischen im Wesentlichen hundert Prozent des Eingangsstromnennwerts und im Wesentlichen neunzig Prozent des Eingangstromnennwerts liegt.

19. Steuereinheit nach Anspruch 18, wobei der Eingangsstromgrenzbereich zwischen im Wesentlichen hundert Prozent des Eingangsstromnennwerts und im Wesentlichen fünfundneunzig Prozent des Eingangstromnennwerts liegt.

20. Steuereinheit nach Anspruch 19, wobei der Eingangsstromgrenzbereich zwischen im Wesentlichen hundert Prozent des Eingangsstromnennwerts und im Wesentlichen fünfundneunzig Prozent des Eingangstromnennwerts variabel gesteuert wird.

21. Verfahren zum Regeln einer Gleichstrommotordrehzahl, aufweisend die Schritte:
Überwachen einer Drehzahl des Gleichstrommotors zum Ermitteln, ob die Drehzahl mit einer Solldrehzahl übereinstimmt,
Erzeugen eines Elektromotorsteuersignals in Reaktion auf die Ermittlung des Übereinstimmens der Drehzahl mit der Solldrehzahl,
Überwachen eines Eingangsstroms für den Gleichstrommotor zum Ermitteln ob der vorhergesagte Eingangsstrom mit dem Eingangsstromgrenzwert übereinstimmt, und
Modifizieren des Elektromotorsteuersignals mit einem ersten Steuerdämpfungsfaktor, wenn ermittelt wird, dass der Eingangsstrom den Eingangsstromgrenzbereich übersteigt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, außerdem aufweisend das Modifizieren des Elektromotorsteuersignals mit einem zweiten Steuerdämpfungsfaktor, wenn ermittelt wird, dass der vorhergesagte Eingangsstrom im Wesentlichen innerhalb des Eingangsstromgrenzbereichs liegt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt zum Modifizieren des Elektromotorsteuersignals mit einem ersten Steuerdämpfungsfaktor das Modifizieren des Elektromotorsteuersignals mit einem Faktor zwischen im Wesentlichen 0,99 und 0,95 umfasst.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Schritt zum Modifizieren des Elektromotorsteuersignals mit einem zweiten Steuerdämpfungsfaktor das Modifizieren des Elektromotorsteuersignals mit einem Faktor zwischen im Wesentlichen 1,0 und 0,97 umfasst.

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Schritt zum Überwachen des Eingangsstroms das Ermitteln umfasst, ob der vorhergesagte Eingangsstrom innerhalb von zehn Prozent eines Eingangsstromnennwerts für den Gleichstrommotor liegt.

26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Schritt zum Überwachen des Eingangsstroms das Ermitteln umfasst, ob der vorhergesagte Eingangsstrom innerhalb von fünf Prozent eines Eingangsstromnennwerts für den Gleichstrommotor liegt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Schritt zum Überwachen des Eingangsstroms das Vorhersagen eines Eingangsstroms für den Gleichstrommotor auf Grundlage eines Eingangsstroms für den Gleichstrommotor in Übereinstimmung mit einer Approximation erster Ordnung umfasst.

28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Schritt zum Überwachen des Eingangsstroms das Vorhersagen eines Eingangsstroms für den Gleichstrommotor auf Grundlage eines Eingangsstroms für den Gleichstrommotor in Übereinstimmung mit einer Approximation zweiter Ordnung umfasst.