DE10158344A1

DE10158344A1 - Verfahren zur Bestimmung des Absolut-Drehwinkels des Läufers einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10158344A1
Application number: DE2001158344
Authority: DE
Inventors: Erich Molitor
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2003-06-12

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung des Absolut-Drehwinkels des Läufers (10) einer einem Verbrennungsmotor zugeordneten elektrischen Maschine weist folgende kennzeichnende Merkmale auf: DOLLAR A - Erfassen eines ersten periodischen Drehzahl-Impulssignals (S2), das von einem groben Drehgeber (14) am Läufer (10) der elektrischen Maschine (9) erzeugt wird, DOLLAR A - Erfassen eines zweiten, höherfrequenten Drehzahl-Impulssignals (S1), das von einem feineren, mit der Kurbelwelle (2) des Verbrennungsmotors (1) gekoppelten Drehgeber (3) erzeugt wird, und DOLLAR A - Berechnen des aktuellen Drehwinkels (W) des Läufers (10) auf der Basis der beiden Drehzahl-Impulssignale (S1, S2) und unter Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses des Antriebs (13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Absolut- Drehwinkels des Läufers einer in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor angeordneten elektrischen Maschine, insbesondere einer Klauenpolmaschine, wie sie beispielsweise bei Hochleistungsgeneratoren mit Startfunktion in modernen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt wird. Der Generator wird dabei vom Verbrennungsmotor über einen Antrieb mit einem bestimmten, vorgegebenen Übersetzungsverhältnis angetrieben. In der Regel kommen dabei Riementriebe zum Einsatz, jedoch sind auch Zahnradgetriebe in Erprobung.

In der Praxis wird der Absolut-Drehwinkel des Läufers derzeit durch zwei Absolutwinkelsensoren am Generator selbst verfaßt. Eine Ausführungsform eines solchen Generators mit entsprechender Beschaltung und Signalverarbeitung ist in der DE 195 43 562 A1 angegeben.

Wenngleich derartige Absolutwinkelsensoren genau arbeiten und ihren Meßaufgaben auch im rauhen Praxiseinsatz gerecht werden, sind sie im konstruktiven Aufbau aufwendig und nicht völlig unempfindlich.

Als Stand der Technik ist ferner auf die DE 44 34 833 A1 zu verweisen, die eine Einrichtung zur Erkennung des Rückdrehens eines rotierenden Teiles einer Brennkraftmaschine offenbart. Dabei kommt eine Drehzahl- Impulssignale erzeugende Geberscheiber an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und eine zweite, mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbundene Geberscheibe zum Einsatz, die eine grobere Teilung gegenüber der ersten Geberscheibe aufweist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Absolut-Drehwinkels des Läufers einer wie oben beschrieben eingesetzten elektrischen Maschine anzugeben, das mit Hilfe einfacher, bewährter Sensortechnik und mit bei modernen Motorsteuerungen ohnehin vorhandener Rechenkapazität, insgesamt also mit gegenüber dem Stand der Technik deutlich geringerem apparativen Aufwand durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichnungsteil des Anspruches angegebenen Merkmale wie folgt gelöst.

- Erfassen eines ersten periodischen Drehzahl-Impulssignals, das von einem groben Drehgeber am Läufer der elektrischen Maschine erzeugt wird,
- Erfassen eines zweiten, höherfrequenten Drehzahl-Impulssignals, das von einem feineren, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelten Drehgeber erzeugt wird, und
- Berechnen des aktuellen Drehwinkels des Läufers auf der Basis der beiden Drehzahl-Impulssignale und unter Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses des Antriebs.

In vorteilhafter Weise wendet das erfindungsgemäße Verfahren also zwei Drehgeber an, die für sich lediglich Drehzahl-Impulssignale abgeben müssen. Es entfallen also komplexe Absolutwinkelsensoren. Bei solchen Drehgebern kann es sich beispielsweise um sogenannter "Chopper-Räder" handeln, wobei der feinere Drehgeber an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors durch die ohnehin vorhandene, der elektrischen Motorsteuerung zugeordnete Geberscheibe mit in der Regel 60-2 Zähnen gebildet sein kann. Die vorstehende Zahnzahl 60-2 bedeutet, daß bei einer 3°-Teilung des Geberrades mit 60 Zähnen (360°/120 Zahnflanken = 3°) zwei Zähne zur Kennzeichnung einer Null-Winkelposition der Geberscheibe ausgelassen sind.

Der ebenfalls periodische Drehzahl-Impulssignale abgebende, jedoch grobere Drehgeber am Läufer der elektrischen Maschine kann in besonders rationeller Weise durch die Klauen der als Klauenpolmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine gebildet sein. Insoweit benötigt das erfindungsgemäße Verfahren also keinen separaten Drehgeber, sondern kann auf ein ohnehin im Läufer der Maschine vorhandenes Bauteil zugreifen, das beispielsweise magnetisch abgetastet werden kann.

Um auch beim groben Drehgeber eine Null-Winkelposition zu definieren, kann der Läufer eine asymmetrische oder anderweitig unregelmäßig, als abweichend von den anderen Klauen geformte Klaue aufweisen.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Bewertung des Schlupfes im Antrieb der elektrischen Maschine herangezogen werden, was für den Extremfall heißt, daß durch das Verfahren auch ein kompletter Ausfall des Antriebes - also ein Riß des Antriebsriemens - detektierbar ist. Ausgegangen wird dabei von der Erkenntnis, daß das Übersetzungsverhältnis im Antrieb, das durch die Durchmesserdifferenzen der Riemenscheiben vorgegeben ist, lediglich theoretischer Natur ist, jedoch einen Soll-Verlauf für die Drehzahl-Impulssignale des groberen Drehgebers vorgibt. Dieser Soll-Verlauf kann mit dem tatsächlichen Verlauf verglichen und daraus die Verzögerung des groberen Drehgebers gegenüber dem feineren Drehgeber ermittelt werden. Diese Verzögerung ist direkt mit dem Schlupf im Antrieb korreliert. Insoweit kann durch einen Vergleich des theoretischen Drehzahl-Impulssignals mit dem tatsächlichen Signal der Schlupf und damit der Verschleiß des Riementriebes bestimmt werden. Im Extremfall wird bei Ausfall des Drehzahl-Impulssignals ein Riemenriß detektiert.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Ansicht eines Verbrennungsmotors mit zugeordneten Hochleistungsgenerator und elektronischer Motorsteuerung und
Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Drehzahl-Impulssignale der in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten Drehgeber.
In der schematischen Übersicht gemäß Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 dargestellt, auf dessen Kurbelwelle 2 ein Drehgeber 3 in Form einer Scheibe mit 58 Zähnen 4 sitzt. Zur Definition einer Null-Winkelposition des Drehgebers 3 weisen die Zähne 4 zwischen sich an einer Umfangsposition eine Zahnlücke 5 von zwei Zähnen auf. Der Drehgeber 3 ist also durch eine sogenannte (60-2)-Scheibe repräsentiert, wie sie bei bekannten elektronischen Motorsteuerungen 6 zur Drehwinkelbestimmung der Kurbelwelle 2 eingesetzt wird.
Der Lauf des Drehgebers 3 wird durch einen Sensor 7 abgetastet, der auf lichtoptischer, kapazitiver oder induktiver Basis arbeiten kann. Vom Sensor 7 wird das in Fig. 2 oben schematisch dargestellte Drehzahl- Impulssignal S1 über eine entsprechende Verbindungsleitung 8 der Motorsteuerung 6 zugeführt.
Dem Verbrennungsmotor 2 ist ein Hochleistungs-Generator 9 in Form einer Klauenpolmaschine zugeordnet, die einen schematisch angeordneten Läufer 10 mit zwölf gleichmäßig über dessen Umfang verteilten Klauen 11 aufweist. Die Klaue 11' ist gegenüber den anderen Klauen etwas breiter und damit unregelmäßig ausgebildet. Sie legt die Null-Winkelposition des Läufers 10 fest, von der aus der jeweils aktuelle Drehwinkel W des Läufers gegenüber einer Bezugswinkelstellung B bestimmt wird.
Der Läufer 10 sitzt auf der Generatorwelle 12, die durch einen strichliert angedeuteten Riementrieb 13 antriebsmäßig mit der Kurbelwelle 2 gekoppelt ist. Zwischen Kurbelwelle 2 und Generatorwelle 12 besteht durch die Auslegung der Riemenscheiben ein Übersetzungsverhältnis von z. B. n = n_K/n_G = 1/3 mit n_K: Kurbelwellendrehzahl und darunter n_G Generatorwellendrehzahl.
Analog dem Drehgeber 3 wirkt der Läufer 10 mit den Klauen 11, 11' selbst als Drehgeber 14, wobei die einzelnen Klauen 11, 11' durch einen Sensor 15 magnetisch abgetastet werden. Über die Verbindungsleitung 16 wird das so generierte Drehzahl-Impulssignal S2 der Motorsteuerung 6 zugeführt und dort über ein entsprechendes Berechnungsprogramm zusammen mit dem Drehzahl-Impulssignal S1 zur Bestimmung des jeweils aktuellen absoluten Drehwinkels W des Läufers 10 verarbeitet.
Dazu wird auf das in Fig. 2 unten dargestellte Drehzahl-Impulssignal S2 des groben Drehgebers 14 (Läufer 10) des Generators 9 aufgesetzt. Der von der breiteren Klaue 11' erzeugte Rechteckimpuls 17 im Signal S2 markiert dabei die Null-Winkelposition des Läufers 10, von der ausgehend einerseits über die weiteren Rechteckimpulse 18 die jeweilige Winkelposition softwaremäßig in der Motorsteuerung 6 berechnet wird. Zur genaueren Winkelbestimmung wird dabei das Signal S2 mit dem höherfrequenten Drehzahl-Impulssignal S1 des Drehgebers 3 überlagert, so daß eine weitaus genauere Winkelberechnung durchgeführt werden kann, wie sie durch die grobe Einteilung der Klauen 11, 11' an sich vorgegeben ist. Bei dem oben angegebenen Übersetzungsverhältnis von 1/3 ergeben sich beispielsweise für einen Drehgeber mit (60-2)-Zähnen und entsprechend 120 Drehzahlimpulsen pro Volldrehung des Drehgebers 3 insgesamt 24 × 3 = 72 Drehzahlimpulse vom Läufer 10.
Durch Interpolation der Rechteckimpulse 19 des Drehzahl-Impulssignals S1 kann die Genauigkeit weiter erhöht werden.
Eine weitere, genauigkeitssteigernde Vorgehensweise besteht in der in Fig. 2 angedeuteten Einbeziehung des Schlupfes des Riementriebes 13. So markiert beim Drehzahl-Impulssignal S2 die durchgezogene Impulslinie den theoretischen, "schlupffreien" Signalverlauf. Der tatsächliche Signalverlauf ist jedoch schlupfbedingten demgegenüber zeitlich nach hinten verschoben, was durch den strichlierten Signalverlauf bei S2 in Fig. 2 unten versinnbildlicht ist.
Damit ergeben sich weitere technische Möglichkeiten. So kann grundsätzlich das Schlupfmaß und damit beispielsweise der Verschleißzustand des Riemenantriebs 13 durch Überprüfung des Flankenversatzes 20 im Signal S2 bestimmt werden. Dabei können die Lebensdauer und beispielsweise die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors 1 über einen Kennlinienvergleich einbezogen werden. Bei Überschreiten bestimmter Grenzwerte für den Flankenversatz 20 und damit den Schlupf im Riementrieb 13 kann von der Motorsteuerung 6 ein entsprechendes Warnsignal ausgegeben werden.
Ferner kann im Neuzustand bzw. bei einem Riemenwechsel ausgehend vom theoretischen Verlauf (durchgezogene Linie beim Signal S2) bei den ersten wenigen Drehungen des Läufers 10 der Flankenversatz 20 erfaßt werden, womit dann auch die Betriebsdaten des Systems Kurbelwelle 2 - Riementrieb 13 - Läufer 10 bestimmt werden. Insoweit werden schlupfbedingte Regelfehler nach wenigen Umdrehungen des Läufers 10 durch die vorstehend erörterte "Lernfunktion" des Systems abgebaut.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Absolut-Drehwinkels des Läufers (10) einer in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (1) angeordneten elektrischen Maschine (9), insbesondere einer Klauenpolmaschine, die vom Verbrennungsmotor (1) über einen Antrieb, insbesondere Riementrieb (13), mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis (n) angetrieben wird, mit folgenden kennzeichnenden Merkmalen:

- Erfassen eines ersten periodischen Drehzahl-Impulssignals (S2), das von einem groben Drehgeber (14) am Läufer (10) der elektrischen Maschine (9) erzeugt wird,

- Erfassen eines zweiten, höherfrequenten Drehzahl-Impulssignals (S1), das von einem feineren, mit der Kurbelwelle (2) des Verbrennungsmotors (1) gekoppelten Drehgeber (3) erzeugt wird, und

- Berechnen des aktuellen Drehwinkels (W) des Läufers (10) auf der Basis der beiden Drehzahl-Impulssignale (S1, S2) und unter Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses des Antriebs (13).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Berechnung der Schlupf im Antrieb (13) der elektrischen Maschine (9) einbezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlupf durch einen zeitlichen Vergleich der Drehzahl-Impulssignale (S1, S2) unter Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses (n) im Antrieb (13) bestimmbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlupf durch den zeitlichen Flankenversatz (20) des groben Drehzahl- Impulssignals (S2) gegenüber einem Soll-Impulsverlauf bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der grobe Drehgeber (14) durch die Klauen (11, 11') einer als Klauenpolmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine (9) gebildet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Null- Winkelposition des Läufers (10) durch eine unregelmäßige Klaue (11') definiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feinere Drehgeber (3) durch eine der elektronischen Motorsteuerung (6) zugeordnete Geberscheibe gebildet ist.

8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des aktuellen Drehwinkels (W) durch Interpolation des feineren Drehzahlsignals (S1) in ihrer Genauigkeit gesteigert wird.