DE10005178A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem, sowie Steuereinrichtung und Antriebssystem - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem bzw. Antriebsstrang werden momentane Drehwinkel erfaßt und mittels einer elektrischen Maschine wird ein Drehmoment erzeugt, das dem Drehmoment der Drehschwingung entgegengesetzt gerichtet ist. Dabei wird aus den momentanen Drehwinkeln eine aktuelle Drehzahländerung berechnet und aus der aktuellen Drehzahländerung wird der momentane Betrag des Drehmoments der elektrischen Maschine bestimmt. Die Regelung der elektrischen Maschine erfolgt über eine entsprechende Stromzufuhr. Die aktuelle Drehzahländerung wird durch Differentiation ermittelt. Die Erfassung der aktuellen Drehwinkel erfolgt durch einen Resolver oder durch andere Drehwinkelsensoren. Eine Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem umfaßt eine elektrische Maschine, die an den Antriebsstrang gekoppelt ist und ein Drehmoment erzeugt, das einer auftretenden Drehschwingung im Antriebsstrang entgegengerichtet ist. Ein Drehwinkelsensor ist an eine Steuereinrichtung gekoppelt, die aktuelle Drehzahländerungen ermittelt und daraus den Betrag des Drehmoments der elektrischen Maschine bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von Drehschwingun­ gen in einem Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, eine Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10, eine Steuereinrichtung für ein Antriebssy­ stem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 16 und ein Antriebssystem.

In Antriebssystemen und insbesondere in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen kommt es unter bestimmten Betriebssituationen zu Torsionssschwingungen. Diese Torsionsschwingungen können verschiedene Ursachen haben. Beispielsweise kann in einem Verbrennungsmotor eine Ungleichförmigkeit vorliegen, welche die Torsi­ onsschwingungen verursacht. So wird z. B. bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen die im Arbeitszylinder bei der Verbrennung frei werdende Energie in eine Hubbewegung eines Kolben umgewandelt und diese wird wiederum über ein Getriebe in Rotationsenergie gewandelt. Diese Rotationsenergie steht an der Antriebsseite der Brenn­ kraftmaschine als Produkt von Drehzahl und Drehmoment zur Verfügung. Bei der zyklischen Arbeitsweise von derartigen Brennkraftmaschinen entstehen oftmals un­ gleichförmige Kräfte, die Drehmomentungleichförmigkeiten im Betrieb hervorrufen, welche zu Drehzahlschwankungen führen.

Weiterhin treten im Bereich des Antriebsstranges Eigenschwingungen auf, die durch unterschiedliche Massen bzw. Steifigkeiten verursacht werden. Diese Eigenschwin­ gungen werden vornehmlich im Getriebe, im Bereich einer Kardanwelle oder auch allgemein in Antriebswellen hervorgerufen. Dazu kommen noch Anregungen von außen, wie beispielsweise Unebenheiten in der Fahrbahn, die beim Kraftfahrzeug ins Innere übertragen werden.

Die hervorgerufenen Drehmomentungleichförmigkeiten sind sehr störend, da sie ei­ nen hohen Geräuschpegel verursachen, was sich negativ auf den Fahrkomfort aus­ wirkt. Hinzu kommen Vibrationen im Fahrgastraum. Vibrationen, die im Bereich von Maschinen- und Gehäuseteilen auftreten, können weiterhin Funktionsstörungen von Bauteilen verursachen und deren Lebensdauer herabsetzen.

Die Torsionsschwingungen in Antriebssträngen bzw. Antriebssystemen haben dar­ über hinaus eine besonders starke Wirkung, wenn die rotierenden Massen reduziert sind. Eine Reduzierung der Massen ist jedoch aus ökonomischen Gründen vorteil­ haft, da hierdurch der Kraftstoffverbrauch herabgesetzt werden kann.

Um derartige Schwingungen zu verhindern, werden bei konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren verschiedene Elemente zur Dämpfung eingesetzt. Bei­ spielsweise wird versucht, durch Kupplungs-Torsionsdämpfer oder durch ein Zwei­ massenschwungrad die Schwingungen zu reduzieren. Eine weitere bekannte Mög­ lichkeit besteht darin, an Antriebswellen Tilger vorzusehen, oder an einer Kardanwel­ le Gummi- oder Federdämfungen bzw. Dämpferscheiben anzubringen.

All diese Elemente bedürfen einer sehr sorgfältigen Abstimmung auf einen gegebe­ nen Antriebsstrang mit dessen Drehmassen, Federraten und Dämpfungen. Dies führt zu einer sehr aufwendigen und kostenintensiven Konstruktionsweise, sowie zu zusätzlichem Gewicht und damit zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch.

Eine andere bekannte Möglichkeit, die Torsionsschwingungen in Antriebssträngen bzw. Antriebssystemen zu reduzieren, besteht darin, bei einer auftretenden Torsi­ onsschwingung ein entgegengerichtetes Drehmoment zu erzeugen, welches durch eine elektrische Maschine im Antriebsstrang hervorgebracht wird. In der DE 40 15 701 A1 ist beispielsweise ein Antriebssystem für ein Fahrzeug beschrieben, das eine Hubkolben-Brennkraftmaschine umfaßt, sowie eine elektrische Maschine, die mechanisch mit der Hubkolben-Brennkraftmaschine verbunden ist. Bei einem peri­ odischen Wechsel des Antriebsmoments der Hubkolben-Brennkraftmaschine ent­ nimmt die elektrische Maschine nur dann Energie, wenn das momentane Antriebs­ moment der Hubkolben-Brennkraftmaschine größer oder gleich dem mittleren An­ triebsmoment ist. Andererseits führt die elektrische Maschine der Hubkolben- Brennkraftmaschine Energie zu, wenn deren momentanes Antriebsmoment kleiner ist als das mittlere Antriebsmoment. Dadurch wird eine Dämpfung periodisch auftre­ tender Drehzahlschwankungen erzielt.

Dabei besteht jedoch das Problem, daß nur periodisch auftretende Antriebsmomente gedämpft werden können. Weiterhin kann nur ein relativ kleiner Teil der Schwin­ gungsamplitude reduziert werden. Die Schwingungen werden nur sehr unvollkom­ men gedämpft.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem anzugeben, mit dem Drehschwin­ gungen wirksamer gedämpft werden können. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem geschaffen werden, mit der eine bessere Dämpfung von Drehschwingungen möglich ist. Gemäß einem wei­ teren Aspekt soll ein Antriebssystem und eine Steuereinrichtung für ein Antriebssy­ stem geschaffen werden, das bzw. die eine wirksame und effektive Reduktion von Dreh- oder Torsionsschwingungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Dämpfung von Drehschwingun­ gen gemäß Patentanspruch 1, die Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingun­ gen gemäß Patentanspruch 10, die Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 16 und das Antriebssystem gemäß Patentanspruch 18. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnungen.

Vorteile und Merkmale, die im folgenden mit Bezug auf das Verfahren beschrieben werden, gelten auch für die Vorrichtungen. Ebenso gelten Vorteile und Merkmale, die mit Bezug auf die Vorrichtungen beschrieben werden, auch für das erfindungs­ gemäße Verfahren.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem werden momentane Drehwinkel erfaßt und es wird mittels ei­ ner elektrischen Maschine ein Drehmoment erzeugt, das dem Drehmoment einer auftretenden Drehschwingung entgegengesetzt ist, wobei aus momentanen Dreh­ winkeln eine aktuelle Drehzahländerung ermittelt wird und aus der aktuellen Dreh­ zahländerung der momentan aufzubringende Betrag des Drehmoments der elektri­ schen Maschine bestimmt wird.

Dadurch ist es möglich, die Drehschwingungen sehr wirksam zu dämpfen. Da der momentane Betrag des Drehmoments der elektrischen Maschine aus der jeweils aktuellen Drehzahländerung ermittelt wird, paßt sich die Dämpfung den jeweils ak­ tuellen Erfordernissen an. Es erfolgt also nicht nur eine konstante Dämpfung, son­ dern eine Anpassung der Dämpfung an die momentane Amplitude der Drehschwin­ gung, so daß auch bei wechselnden und ungleichförmigen Torsionsschwingungen, die verschiedene Frequenzen und Amplituden enthalten können, eine wirksame Dämpfung erfolgt. Die verbleibenden Schwingungsamplituden werden auf ein Mini­ mum reduziert, da die in jedem Moment notwendige Dämpfung in Echtzeit ermittelt wird und über die elektrische Maschine dem Antriebssystem bzw. dem Antriebsstrang zugeführt wird.

Vorzugsweise wird die aktuelle Drehzahländerung durch Differentiation ermittelt. Da­ durch kann die aktuelle Drehzahländerung sehr genau bestimmt werden, was zu einer verbesserten Dämpfung führt.

Der momentane Drehwinkel kann durch einen Drehwinkelsensor, wie beispielsweise einen Resolver und/oder durch induktive Sensierung und/oder durch Hallsensierung absolut erfaßt werden. Es können also je nach den jeweiligen Anforderungen ver­ schiedenartige Sensoren zur Bestimmung des momentanen Drehwinkels verwendet werden.

Vorzugsweise werden die Drehzahländerungen einer Filterung unterzogen, insbe­ sondere einem Tiefpaß erster Ordnung. Dadurch werden Fehler beseitigt, die sich z. B. bei der Ermittlung der Drehzahländerungen ergeben könnten.

Insbesondere kann das Drehmoment M der elektrischen Maschine nach der Formel M (E-Maschine) = -k × J × dω/dt berechnet werden, wobei J das Massenträgheits­ moment der rotierenden Masse ist, dω/dt die momentane Drehzahländerung ist, und k ein Faktor ist, der in Abhängigkeit vom Antriebsstrang bzw. Antriebssystem und/oder der elektrischen Maschine ermittelt wird. Der Faktor k wird dabei je nach Anwendung bzw. nach der Art des Antriebsstrangs und je nach verwendeter elektri­ scher Maschine abgestimmt.

Vorzugsweise erfolgt bei dem Verfahren eine Filterung der Drehzahländerungen, wobei insbesondere Mitlauffilter, Hysteresen und/oder Schleppfilter verwendet wer­ den. Dadurch können z. B. unerwünschte Ruckelschwingungen, die in ungünstigen Fällen durch die Aufschaltung der elektrischen Maschine erzeugt werden, vermieden werden.

Bevorzugt wird die aktuelle Drehzahländerung um eine Solldrehzahländerung reduziert, die sich in Abhängigkeit vom Fahrzustand ergibt. Dadurch wird erreicht, daß bei gewünschten Drehzahländerungen, wie z. B. bei Beschleunigungsvorgängen durch die Regelung keine Wirkung erzeugt wird, die einer gewünschten Drehzahlän­ derung entgegengesetzt ist. Es wird also die Ausgangsgröße des Reglers entspre­ chend der Solldrehzahländerung, beispielsweise des Verbrennungsmotors oder der elektrischen Maschine, reduziert.

Vorzugsweise wird das Verfahren in einem Hybridantrieb angewendet, der z. B. aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor als elektrische Maschine be­ steht, oder es wird in einem reinen Verbrennungsmotorantrieb angewendet, wobei die elektrische Maschine eine Lichtmaschine ist. Es ist also möglich, das Verfahren bei unterschiedlichen Antrieben bzw. mit unterschiedlichen Motoren und/oder Gene­ ratoren durchzuführen. Dadurch wird eine hohe Flexibilität und ein breites Einsatz­ spektrum erreicht. Das Verfahren kann auch im Zustand eines reinen Elektromotor­ antriebs durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem umfaßt eine elektrische Maschine, die an einen Antriebsstrang ge­ koppelt ist, zur Erzeugung eines Drehmoments, das einer auftretenden Drehschwin­ gung im Antriebsstrang entgegengerichtet ist, einen Drehwinkelsensor zur momen­ tanen Erfassung von Drehwinkeln, und eine Steuereinrichtung, die an die elektrische Maschine gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung aus momentan erfaßten Dreh­ winkeln eine aktuelle Drehzahländerung ermittelt und aus der aktuellen Drehzahlän­ derung den momentanen aufzubringenden Betrag des Drehmoments der elektri­ schen Maschine bestimmt.

Dadurch werden unerwünschte Schwingungen, die unterschiedliche Frequenzen enthalten können, in verschiedenen Antriebsstrangarten verhindert und die spezifi­ schen Belastungen des Antriebsstrangs werden stark reduziert. Es ergibt sich eine besonders wirksame Dämpfung von Drehschwingungen durch die erfindungsgemä­ ße Vorrichtung.

Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung einen oder mehrere Filter zur Filterung der Drehzahlwerte und/oder der Drehzahländerungen, insbesondere einen Tiefpaß. Da­ durch werden eventuell auftretende Fehler bei der Bestimmung der Drehzahlände­ rungen reduziert bzw. verhindert.

Bevorzugt ist der Drehwinkelsensor ein Resolver, ein Hallsensor oder ein induktiver Sensor. Dadurch kann die Bestimmung der Drehwinkel und Drehwinkeländerungen mit bekannten Bauteilen erfolgen und es kann je nach den gegebenen Anforderun­ gen die geeignetste und kostengünstigste Möglichkeit gewählt werden. Die Vorrich­ tung hat beispielsweise einen Mitlauf-, Hysterese-, und/oder Schleppfilter. Nachteil­ hafte Schwingungen werden durch diese Maßnahmen noch weiter reduziert.

Vorteilhafterweise umfaßt die Steuereinrichtung einen programmgesteuerten Pro­ zessor. Dadurch können kostengünstige Elektronikbauteile verwendet werden, die dennoch eine schnelle und genaue Bestimmung des Drehmoments der elektrischen Maschine in Echtzeit ermöglichen. Beispielsweise kann in der Vorrichtung ein Com­ puterprogramm vorgesehen sein, das in einem Speicher ablegbar ist um das oben beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuereinrichtung für ein Antriebssystem geschaffen, die an eine elektrische Maschine gekoppelt ist, wel­ che ein Drehmoment erzeugt, das einer im Antriebssystem vorhandenen Dreh­ schwingung entgegenwirkt, wobei die Steuereinrichtung aus momentan gemessenen Drehwinkeln eine aktuelle Drehzahländerung ermittelt und aus der aktuellen Dreh­ zahländerung den momentanen Betrag des Drehmoments der elektrischen Maschi­ ne bestimmt.

Die Steuereinrichtung ermöglicht eine wirksame Dämpfung von Dreh- bzw. Torsions­ schwingungen. Unerwünschte Schwingungen in verschiedenen Antriebsstrangarten können auf kostengünstige Weise reduziert bzw. verhindert werden. Dabei kann die Steuereinrichtung insbesondere durch ein Computerprogramm realisiert sein, das auf einem Datenträger oder im Prozessor enthalten ist. Die Steuereinrichtung dient insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und sie ist bei­ spielsweise in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung enthalten.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebssystem für ein Land- oder Luftfahrzeug geschaffen, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie oben allgemein beschrieben wurde, umfaßt.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß Dreh- bzw. Torsionsschwingungen wirksam verhindert bzw. reduziert werden, wodurch sich die Lebensdauer aller Antriebs­ strangkomponenten erhöht und z. B. bei Hybridantrieben ein weicher Motorstart möglich ist. Durch die Erfindung können weichere Motorlager realisiert werden, was den Geräuschkomfort erheblich erhöht. Torsionsdämpfer herkömmlicher Bauart kön­ nen unter Umständen entfallen, ebenso wie ein Zweimassenschwungrad. Die spezi­ fischen Belastungen des Antriebsstranges werden verringert und es werden uner­ wünschte Schwingungen in allen Antriebssstrangarten verhindert.

Die Erfindung ermöglicht eine besonders kostengünstige Dämpfung bzw. Verhinde­ rung von Drehschwingungen. Beispielsweise kann durch geeignete Softwaremaß­ nahmen eine aktive, erfindungsgemäße Bekämpfung der auftretenden Torsions­ schwingungen erfolgen. Auch können zumindest teilweise bereits vorhandene Kom­ ponenten oder Maschinen ohne hohe Kosten zur erfindungsgemäßen Drehschwin­ gungsdämpfung verwendet werden.

Es kann dabei eine elektrische Maschine verwendet werden, die in einem parallelen Hybridantrieb vorhanden ist. Dabei ist z. B. ein Verbrennungsmotor in Reihe mit ei­ ner elektrischen Maschine und einem Getriebe im Antriebsstrang angeordnet.

Die elektrische Maschine kann aber auch bei einem reinen Elektroantrieb vorhanden sein. Dabei ist die elektrische Maschine über Antriebswellen mit dem Rad und damit mit der Fahrzeugmasse verbunden.

Weiterhin kann die elektrische Maschine in einem seriellen Hybridantrieb vorhanden sein, wobei ein elektrischer Generator direkt an einen Verbrennungsmotor angekop­ pelt ist und ein weiterer Leistungsfluß elektrisch zum Elektroantrieb erfolgt.

Es ist aber auch möglich, die elektrische Maschine zusätzlich zu installieren, bei­ spielsweise bei einem Verbrennungsmotorantrieb, wie z. B. bei einem Diesel- oder Ottomotor, der in verschiedenen Varianten vorhanden sein kann.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Antrieb, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ausgestaltet ist, mit einem Verbrennungsmotor und einer Elek­ tromaschine;

Fig. 2a ein vereinfachtes Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2b weitere Details des Blockdiagramms von Fig. 2a;

Fig. 3 ein Diagramm, das ein Rotordrehmoment und eine Drehzahl in Abhän­ gigkeit vom Drehwinkel zeigt; und

Fig. 4 ein Diagramm mit einer Beschleunigungsidentifikation aus einem ver­ rauschten Drehzahlsignal.

Fig. 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Antrieb 10 mit einem Verbren­ nungsmotor 11, der mit einer elektrischen Maschine 12 gekoppelt ist. Ein Getriebe 13 ist über eine Kupplung 14 an die Elektromaschine bzw. elektrische Maschine 12 und den Verbrennungsmotor 11 gekoppelt. Wellen 15a, 15b, 15c übertragen ein vom Verbrennungsmotor 11 und/oder vom Elektromotor bzw. der elektrischen Maschine 12 erzeugtes Drehmoment über die Kupplung 14 auf das Getriebe 13. Die elektrische Maschine 12 weist zur elektronischen Kommutierung einen Resolver auf, der als Drehwinkelsensor 16 dient und den absoluten Drehwinkel mit hoher Genauigkeit erfaßt. Es ist aber genauso gut möglich, den Drehwinkel mit anderen Sensoren zu erfassen, beispielsweise mittels induktiver Sensierung, Hallsensierung, oder ähnli­ chem.

Der Drehwinkelsensor 16 dient zur Erfassung eines absoluten Drehwinkels bei der Übertragung des Drehmoments. Der Drehwinkelsensor 16 ist mit einer Steuereinrich­ tung 17 verbunden, um den mit hoher Genauigkeit erfaßten Drehwinkel an die Steu­ ereinrichtung 17 zu übermitteln. Die Steuereinrichtung 17 umfaßt einen Prozessor bzw. Mikroprozessor, der aus den absoluten Drehwinkeln zu jedem Zeitpunkt eine Änderung des Drehzahlwertes bestimmt. Die Änderung des Drehzahlwertes wird durch einfache Differentiation ermittelt. Dadurch läßt sich eine Drehzahlschwingung feststellen, die der stationären Drehzahl überlagert ist. Die Drehzahlschwingungen sind durch Drehmomentschwingungen verursacht, die im Antriebsstrang vorhanden sind bzw. entstehen. Da es sich bei der Änderung des jeweiligen Drehzahlwertes um geringe Beträge handelt, die bei einer Differentiation große Fehler verursachen, wer­ den geeignete Filtermethoden angewendet um derartige Fehler zu minimieren.

Die jeweils aktuelle, momentane Drehzahländerung steht mit der Drehmomentände­ rung im Antriebsstrang in einem festen Verhältnis. Dieses Verhältnis kann bei Ideali­ sierung zu einem 1-Massenschwinger über folgende Formel ausgedrückt werden:

M = J × dω/dt (1)

Wobei M das Drehmoment ist, J das Massenträgheitsmoment ist, und dω/dt die je­ weilige Drehzahländerung ist. Das aktuelle Drehschwingungsmoment hat somit die gleiche Phasenlage wie die Änderung der Drehzahl.

Die elektrische Maschine 12 wird nun durch die Steuereinrichtung 17 so angesteuert, das ein dem Schwingmoment bzw. Drehmoment entgegengesetztes Drehmoment erzeugt wird. Dieses entgegengesetzte Drehmoment ergibt sich wie folgt:

M (E-Maschine) = -k × J × dω/dt (2)

Dabei wird der Faktor k je nach Anwendung bzw. je nach den Erfordernissen des jeweiligen Antriebsstrangs und je nach verwendeter Elektromaschine abgestimmt. Die Bestimmung des k-Faktors erfolgt beispielsweise in Versuchsreihen am Ver­ brennungsmotorenprüfstand und/oder im Fahrversuch. In diesen z. T. recht aufwen­ digen Versuchsreihen wird neben dem k-Faktor ebenfalls die Phasenlage bestimmt, unter der das entgegengesetzt wirkende Drehmoment aufgebracht wird.

Bei der Aufschaltung des entgegengesetzten Drehmoments durch die Elektroma­ schine kann es unter Umständen zu weiteren Schwingungen kommen, die sich bei­ spielsweise als Ruckeln bemerkbar machen. Um derartige Ruckelschwingungen zu vermeiden, können zusätzliche Filtermaßnahmen getroffen werden, beispielsweise durch Mitlauffilter, Hysteresen, Schleppfilter oder ähnliche Maßnahmen, die dem Fachmann zur Filterung bekannt sind.

Die Steuereinrichtung 17 ist an die elektrische Maschine 12 gekoppelt und steuert diese mittels geeigneter Signale so an, daß die elektrische Maschine 12 das Drehmoment gemäß der oben gezeigten Formel (2) erzeugt. Im vorliegenden Fall erfolgt die Steuerung der elektrischen Maschine 12 über einen Regelkreis, der die Stromzufuhr zur elektrischen Maschine 12 oder von der elektrischen Maschine 12 zu einer Batterie 18 steuert.

Über einen Rotor 12a und einen Stator 12b der Elektromaschine 12 wird elektrische Energie von der Batterie 18 zur Elektromaschine 12 zugeführt oder entnommen. Da­ bei regelt die Steuereinrichtung 17 die Stromstärke und die Richtung des Stromes und damit die jeweils notwendige Energie, um die aktuell ermittelte Drehzahlände­ rung und die damit verbundene Drehmomentänderung im Antriebssystem auszuglei­ chen.

Bei dieser Regelung wird die Ausgangsgröße des Reglers entsprechend einer Solld­ rehzahländerung reduziert. Diese Solldrehzahländerung entspricht einer gewünsch­ ten Drehzahländerung, beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang. Dadurch wird erreicht, daß das zur Dämpfung der Drehschwingung bzw. Torsionsschwingung benötigte Drehmoment nicht der gewünschten Drehzahländerung entgegenwirkt. Somit bleibt die Solldrehzahländerung des Verbrennungsmotors oder der Elektroma­ schine von der aktiven Drehschwingungsdämpfung unbeeinflußt.

Im folgenden wird das Verfahren zur Drehschwingungsdämpfung anhand des in Fig. 2a und 2b gezeigten Blockdiagramms erläutert. Zunächst werden ständig die absolu­ ten Drehzahlwerte durch den Drehwinkelsensor 16 gemessen. Die Drehzahlände­ rung wird aus diesen Werten in kurzen Zeitintervallen ermittelt, im vorliegenden Fall z. B. alle 1,7 ms. Dabei ergibt sich der aktuelle Wert für die Drehzahländerung aus dem jeweils aktuellen Drehzahlwert minus dem vorhergehenden Drehzahlwert, d. h. Δn_ist = n_ist_aktuell - n_ist_alt.

Nun wird in einem zweiten Schritt die Drehzahländerung gefiltert. Dadurch wird ein Tiefpaßfilter erster Ordnung verwendet bzw. auf den Wert Δn_ist angewendet, um einen gefilterten Wert der Drehzahländerung zu erhalten:

Δn_ist_gefiltert = Tiefpaßfilter erster Ordnung [Δn_ist].

In einem dritten Schritt erfolgt eine Bewertung der gefilterten Drehzahländerung durch einen Faktor nach der Formel: dn_ist = Faktor × Δn_ist_gefiltert.

Aus dem Wert dn_st wird nun in einem vierten Schritt eine neue additive Iq- Komponente ermittelt (siehe Block Iq_additiv in Fig. 2b). Dabei wird zunächst abge­ fragt, ob der Wert dn_ist größer ist als eine erlaubte Drehzahländerung. Falls dies zutrifft, wird die additive Iq-Komponente um ein Inkrement erhöht. Falls dies nicht zutrifft wird abgefragt, ob der Wert dn_ist kleiner als eine erlaubte Drehzahländerung ist. Falls dies zutrifft, wird die additive Iq-Komponente um ein Inkrement verkleinert, andernfalls wird die additive Iq-Komponente nicht verändert.

In einem fünften Schritt wird die additive Iq-Komponente zu einem Sollwert Iq_soll addiert. Dieser Sollwert Iq_soll ergibt sich aus dem Solldrehmoment M_soll multipli­ ziert mit einem Faktor k_mi (siehe Fig. 2a). Iq bezeichnet die Stromkomponente, die das entgegengesetzte bzw. aufzubringende Drehmoment bildet.

Zusammengefaßt wird also bei dem Verfahren ständig der Drehwinkel erfaßt und aus den momentan erfaßten Drehwinkeln wird eine aktuelle Drehzahländerung be­ rechnet. Aus der aktuellen bzw. momentanen Drehzahländerung wird das Drehmo­ ment der Drehschwingung ermittelt, die auf den Antriebsstrang einwirkt. Daraus wird ein diesem Drehmoment entgegenzusetzendes Drehmoment bestimmt, das nun durch eine elektrische Maschine erzeugt wird und dem Antriebsstrang zugeführt wird. Dadurch wird erreicht, das im Antriebsstrang ein gleichmäßiges Drehmoment ohne unerwünschte Schwingungen bzw. mit einer starken Reduktion derartiger Stör­ schwingungen erzeugt wird.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit einer Rotor-Drehmomentschwingung und einer Dreh­ zahl in Abhängigkeit vom Drehwinkel. Dabei beträgt die Frequenz f der Drehschwin­ gung 16 Hz und die Momentenamplitude M beträgt +/-10013,75 Nm. Das Trägheits­ moment J beträgt 0,078 kgm².

Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit einer Beschleunigungsidentifikation aus einem ver­ rauschten Drehzahlsignal. Es ist zu erkennen, daß eine Vielzahl von Meßbeschleu­ nigungen mit großer Amplitude und hoher Frequenz auf die Meßdrehzahl einwirken. Aus dem Drehzahlsignal ergibt sich eine geglättete Beschleunigung.

Auch im Betriebszustand eines reinen Elektromotors kann der Antriebsstrang zu Schwingungen neigen, die über ein Drehwinkelmeßsystem wie einen Resolver oder ähnliches erfaßt werden können. Auch eine Dämpfung derartiger Schwingungen er­ folgt über das oben beschriebene Verfahren.

Mit der vorliegenden Erfindung können Drehschwingungen in Antriebssystemen bzw. Antriebssträngen aktiv gedämpft werden, wobei durch die Erfassung der Dreh­ zahländerungen in Echtzeit und die dementsprechende Erzeugung eines entgegen­ gerichteten Drehmoments eine besonders wirksame und effektive Schwingungs­ dämpfung erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich bei verschiedenartigen Antrieben realisieren, beispielsweise bei einem parallelen Hybrid-Antrieb, einem reinen Elektroantrieb oder einem seriellen Hybrid-Antrieb.

Bei herkömmlichen Verbrennungsmotorantrieben kann die Vorrichtung durch gering­ fügige Modifikationen realisiert werden, in dem z. B. eine entsprechende Steuerung einer angeschlossenen elektrischen Maschine erfolgt. Dies ist durch kostengünstige elektronische Komponenten bzw. durch Softwaremaßnahmen möglich, so daß die aktive Drehschwingungsdämpfung aus der vorliegenden Erfindung für einen Serien­ einsatz geeignet ist. Belastungen des Antriebsstrangs werden reduziert, die Lebens­ dauer von Bauteilen wird erhöht, und der Fahrkomfort wird gesteigert. Zusätzlich kann Gewicht eingespart werden, da keine großen Massen erforderlich sind.

Claims (18)

1. Verfahren zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem, wobei momentane Drehwinkel erfaßt werden und mittels einer elektrischen Maschine (12) ein Drehmoment erzeugt wird, das dem Drehmoment einer auftretenden Drehschwingung entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß aus momen­ tanen Drehwinkeln eine aktuelle Drehzahländerung ermittelt wird und aus der aktuellen Drehzahländerung der momentan aufzubringende Betrag des Drehmoments der elektrischen Maschine (12) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Dreh­ zahländerung durch Differentiation ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der momenta­ ne Drehwinkel durch einen Drehwinkelsensor (16), insbesondere einen Resolver, durch induktive Sensierung oder durch Hallsensierung absolut erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahländerungen einer Filterung unterzogen werden, insbesondere einem Tiefpaß erster Ordnung.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Filte­ rung der Drehzahländerungen, wobei vorzugsweise Mitlauffilter, Hysteresien und/oder Schleppfilter verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment der elektrischen Maschine nach der Formel M(E-Maschine) = -k × J × dω/dt berechnet wird, wobei J das Massenträgheitsmo­ ment der rotierenden Masse ist, dω/dt die momentane Drehzahländerung ist, und k ein Faktor ist, der in Abhängigkeit vom Antriebssystem und/oder der elektri­ schen Maschine ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Drehzahländerung um eine Solldrehzahländerung reduziert wird, die sich in Abhängigkeit vom Fahrzustand ergibt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Hybridantrieb, bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einem Elek­ tromotor als elektrische Maschine angewendet wird, oder in einem reinen Ver­ brennungsmotorantrieb, wobei die elektrische Maschine eine Lichtmaschine ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß es im Zustand eines reinen Elektromotorantriebs durchgeführt wird.

10. Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen in einem Antriebssystem, mit einer elektrischen Maschine (12), die an einen Antriebsstrang gekoppelt ist, zur Erzeugung eines Drehmoments, das einer auftretenden Drehschwingung im An­ triebsstrang entgegengerichtet ist, einem Drehwinkelsensor (16) zur Erfassung von Drehwinkeln, und einer Steuereinrichtung (17), die an die elektrische Ma­ schine (12) gekoppelt oder koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steu­ ereinrichtung (17) aus den momentan erfaßten Drehwinkeln eine aktuelle Drehzahländerung ermittelt und aus der aktuellen Drehzahländerung den momenta­ nen Betrag des aufzubringenden Drehmoments der elektrischen Maschine (12) bestimmt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Filter zur Filterung der Drehzahlwerte und/oder Drehzahländerungen, insbesondere einen Tiefpaß.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch einen Mitlauf- und/oder Hysterese- und/oder Schleppfilter.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkelsensor (16) ein Resolver und/oder ein Hallsensor und/oder ein in­ duktiver Sensor ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (17) einen programmgesteuerten Prozessor umfaßt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch ein Computerprogramm, das in einem Speicher abgelegt oder ablegbar ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.

16. Steuereinrichtung für ein Antriebssystem, die an eine elektrische Maschine (12) gekoppelt oder koppelbar ist, um im Betrieb ein Drehmomentsignal zu erzeugen, das einer im Antriebssystem vorhandenen Dreh- oder Torsionsschwingung ent­ gegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (17) derart aus­ gestaltet ist, daß sie aus momentan gemessenen Drehwinkeln eine aktuelle Drehzahländerung erfaßt und aus der aktuellen Drehzahländerung den momen­ tanen Betrag des von der elektrischen Maschine (12) aufzubringenden Drehmo­ ments bestimmt.

17. Steuereinrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Prozessor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

18. Antriebssystem für ein Land- oder Luftfahrzeug, gekennzeichnet durch eine Vor­ richtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15 und/oder eine Steuereinrichtung nach Anspruch 16 oder 17.