DE102005021921A1

DE102005021921A1 - Verfahren zur Verwendung einer elektrischen Maschine als Stellmotor

Info

Publication number: DE102005021921A1
Application number: DE102005021921A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dr.-Ing. Ketteler; Andreas Dipl.-Ing. Füssl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2006-12-14
Also published as: WO2006119864A1

Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zur Verwendung einer elektrischen Maschine als Stellmotor, insbesondere bei Betätigungseinrichtungen eines Automatgetriebes oder eines automatisierten Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs, wird aus der Differenz zwischen Soll- und Istlage mittels eines ersten Reglers eine Soll-Motordrehzahl ermittelt, welche mit der aktuellen Ist-Motordrehzahl verglichen wird, wobei aus der Soll-Motordrehzahl mittels eines Motormoment-Reglers ein Motor-Sollmoment ermittelt wird, anhand dessen die elektrische Maschine angesteuert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung einer elektrischen Maschine als Stellmotor, insbesondere bei Betätigungseinrichtungen eines Automatgetriebes oder eines automatisierten Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 101 16 544 C1 ist ein Betätigungssystem für die Kupplung eines mit einem automatisierten Schaltgetriebe versehenen Kraftfahrzeugantriebs bekannt. Hierbei weist das Betätigungssystem einen Stellantrieb zum Betätigen der Kupplung und einen Lageregelkreis auf. Der Lageregelkreis enthält einen die Position der Kupplung bestimmenden Regler, dem ein Positionssollwert und ein die Position wiedergebendes Messsignal eines Sensors als Istwert zugeführt werden. Ferner ist in den Lageregelkreis ein Störschwingungen aus dem Positionssignal filterndes Filter integriert, dessen Sperrbereich adaptiv von der Drehzahl des Antriebsmotors abhängt. Der Stellantrieb kann hierbei elektromotorisch oder hydraulisch betätigt werden.

Aus der EP 0 918 012 A2 ist eine durch einen Elektromotor servounterstützte Positioniervorrichtung, insbesondere Servolenkung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der der Elektromotor als rotorflussorientiert geregelte Asynchronmaschine ausgebildet ist, wobei die Regelung des inneren Momentes der Asynchronmaschine nach dem Prinzip der verlustoptimalen Steuerung bzw. Regelung des Rotorflusses durch Einstellung des Magnetisierungsstromes in Abhängigkeit von einem entsprechend dem jeweils geforderten Antriebs-Drehmoment ermittelten Sollwert-Wirkstrom erfolgt. Hierbei wird eine hohe thermische Belastung der Asynchronmaschine durch die geringen Anforderungen bezüglich Drehzahl und Momentenbedarf vermieden.

Im Rahmen der DE 102 15 503 A1 ist ein elektrisch betätigtes Stellglied für eine Kupplung oder einen Gangwählmechanismus eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zum Kalibrieren der Gleichgewichtsposition beschrieben, an der eine Ausgleichsfeder des mittels eines Elektromotors angetriebenen Stellgliedes die elastische Last der Membranfeder einer Kupplung ausgleicht.

Bei derartigen Konstruktionen wird üblicherweise als Elektromotor ein Gleichstrom-Elektromotor bzw. ein Bürstenmotor eingesetzt, dessen Drehbewegung mittels eines Getriebes (Spindel, Schnecke, Zahnstange, Zahnsegment) in eine Translationsbewegung umgesetzt wird.

Des weiteren ist aus der DE 102 03 948 A1 ein Schaltgetriebe für ein Kraftfahrzeug bekannt, welches eine der Kupplung zugeordnete Betätigungsanordnung umfasst, die mit einem elektrisch angetriebenen Betätigungsorgan verbunden ist. Das Betätigungsorgan weist eine Anzahl von axial angeordneten, in Folge ansteuerbaren und elektrisch voneinander getrennten Magnetspulen auf, welche zum axialen Verstellen mit einem mit der Betätigungsanordnung verbundenen Kern aus magnetischem Werkstoff, vorzugsweise einem Dauermagneten, zusammenwirken.

Bei den nach dem Stand der Technik eingesetzten Elektromotoren zur Betätigung von Stellgliedern können deren Einsatzgrenzen bezüglich Leistung und thermischer Belastung erreicht werden, so dass ein robusteres Motorkonzept, beispielsweise eine Asynchronmaschine (Asynchronmotor) vorteilhaft sein kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verwendung einer elektrischen Maschine als Stellmotor, insbesondere bei Betätigungseinrichtungen eines Automatgetriebes oder eines automatisierten Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welches eine einfache Lage regelung und Steuerung der elektrischen Maschine ermöglicht, so dass die Verwendung einer elektrischen Maschine als Stellmotor mit geringem Aufwand realisiert werden kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Verwendung einer Asynchronmaschine zu ermöglichen.

Hierbei soll die Anzahl der für die Lage- und Motorregelung benötigter Sensoren gering sein. Durch die erfindungsgemäße Lageregelung soll ein möglichst schnelles Anfahren der Zielposition ohne ein Überschwingen und ein möglichst genaues Halten der angefahrenen Zielposition gewährleistet werden. Zudem soll die Steuerung gegen eine Variation des Lastmomentes robust sein und mit wenigen Parametern parametrierbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Um ein schnelles Anfahren der Zielposition ohne Überschwingen zu erreichen, soll eine möglichst große Motordrehzahl (Drehzahl der elektrischen Maschine bzw. der Asynchronmaschine) und ein möglichst schnelles Erreichen der maximalen Motordrehzahl, d.h. eine große Beschleunigung erreicht werden. Dies bedeutet, dass ein möglichst hohes mittleres Beschleunigungsmoment über den Stelldrehzahlbereich benötigt wird. Wenn die Zielposition erreicht ist, muss die Drehzahl sehr schnell abnehmen, derart, dass die Drehzahl in der Zielposition den Wert Null erreicht, wobei in der Zielposition das Motormoment exakt dem Lastmoment entsprechen soll und der Motor unabhängig von Variationen des aktuellen Lastmoments stillstehen muss.

Hierbei ist für die Lageregelung zumindest ein Lagegeber erforderlich, wobei als Lagegeber ein Drehzahlgeber verwendet wird, dessen Signal durch Integration bis zur Ziellage als Lagegebersignal und andererseits direkt als Drehzahlsignal verwendet wird. Beispielsweise kann als Lagegeber gemäß der Erfindung ein Impulsgeber dienen, der üblicherweise auf der Motorwelle befestigt ist. Das Signal dieses Impulsgebers kann zum einen als Lagegebersignal und zum anderen als Drehzahlgebersignal verwendet werden.

Gemäß der Erfindung wird aus der Differenz zwischen Soll- und Istlage mittels eines ersten Reglers eine Soll-Motordrehzahl ermittelt, welche mit der aktuellen Ist-Motordrehzahl verglichen wird, wobei aus der Soll-Motordrehzahl mittels eines Motormoment-Reglers ein Motor-Sollmoment ermittelt wird.

Diese Schritte sind für jede Motortechnologie verwendbar, wenn dieses Motor-Sollmoment in eine der Motortechnologie angepasste Stellgröße umgewandelt wird. Die Präzision der Lageregelung hängt nahezu ausschließlich von der Auflösung des verwendeten Lagegebers ab, wobei der Montageort des Lagegebers nicht festgelegt ist. Voraussetzung für die Präzision der Lageregelung ist eine beschreibbare eindeutige Beziehung zwischen der Motordrehung und der Bewegung des Lagegebers.

Für den Fall einer Asynchronmaschine kann ein konstanter Fluss durch ein proportionales Variieren von Statorspannung und Statorfrequenz erzeugt werden. Ferner vergrößert sich bei Belastung der Maschine die Läuferfrequenz (Rotorfrequenz), was sich im Betriebsverhalten durch eine abnehmende Drehzahl bemerkbar macht und durch den Schlupf, d.h. durch die Abweichung der Drehzahl von der synchronen Drehzahl, beschrieben wird. Insbesondere bei kleinen Asynchronmaschinen muss zum Erzielen eines konstanten Flusses die Wirkung des Statorwiderstandes bei der proportionalen Variation von Statorspannung und Statorfrequenz berücksichtigt werden.

Im Bereich der Läuferfrequenz zwischen Leerlauf (f₂ = 0) und Kippmoment, d.h. dem maximalen Drehmoment des Motors (f₂ = fkipp), hat die Abhängigkeit vom Belastungsmoment einen überwiegend linearen Charakter, derart, dass einem Sollmoment in guter Näherung direkt eine entsprechende Läuferfrequenz zugewiesen werden kann. Auf diese Weise können komplizierte Kennlinienzugriffe entfallen und es wird in vorteilhafter Weise der Einsatz einfacher Regelungsstrukturen ermöglicht.

Um die für die Ansteuerung des Motors benötigte Statorfrequenz f₁ zu ermitteln, wird die sich aus dem Rotorfrequenzregler ergebende Läuferfrequenz f₂ zur Drehzahlfrequenz p·n_mech (die Maschinendrehzahl ist mit n_mech bezeichnet) vorzugsweise gemäß folgender Gleichung addiert, wobei p die Polpaarzahl der Asynchronmaschine ist. f1 = p·nmech + f2

Die notwendige Spannungsamplitude zur Motorsteuerung ergibt sich auf Basis der U/f-Kennlinie, die spezifisch für jeden Motor bekannt ist. Um den Spannungsabfall am Statorwiderstand zu kompensieren, ist ein Spannungsboost nötig, so dass sich für eine prinzipielle U/f-Steuerung die in der beigefügten Figur dargestellte Kennlinie ergibt, in der auch der Maschinenfluss ψ als Kurve B dargestellt ist. Hierbei ist der Zusammenhang zwischen der Spannung U und der Statorfrequenz f₁ als Kurve A dargestellt. Durch f_1N ist die Nennfrequenz des Stators und durch U_1N die Nennspannung bezeichnet; ψ_N bezeichnet den Nennfluss.

Insbesondere für kleine Motoren ist der Magnetisierungsstrom für den Nennfluss im Asynchronmotor häufig recht hoch und kann in nachteiliger Weise eine thermische Belastung für den Motor im Dauerbetrieb darstellen.

Aus diesem Grunde wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den Maschinenfluss dem jeweiligen Motormomentbedarf anzupassen, um somit die thermisch wirksame Verlustleistung in der Asynchronmaschine zu reduzieren. Da die Läuferfrequenz f₂ als Maß für das Motormoment gilt, kann die Motorspannung nach Vorgabe einer Soll-Läuferfrequenz adaptiert werden, so dass durch die adaptierte Motorspannung der Maschinenfluss beeinflusst wird.

Ein Beispiel für eine Adaptionsfunktion für die Motorspannung gemäß der Erfindung wird durch folgende Gleichung gegeben:

wobei f_{2_max} die maximal zulässige Läuferfrequenz darstellt und k_ψ ein Parameter ist.

Um zu verhindern, dass der Regler eine Läuferfrequenz vorgibt, die größer ist als die Motorkippfrequenz, wird der Reglerausgang auf die maximal zulässige Läuferfrequenz f_{2_max} begrenzt. Durch die Wahl des Parameters k_ψ kann der Beeinflussungsgrad auf die Soll-Spannungsamplitude eingestellt werden.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der beschriebenen Ermittlung des Motor-Sollmomentes (Sollmoment der Asynchronmaschine) aus der Differenz zwischen Soll- und Istlage, die Asynchronmaschine mit einer festen Frequenz betrieben, wobei das Motormoment nur über die Spannung eingestellt wird, so dass die Motorklemmenspannung als Stellgröße des Motormomentenreglers dient. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine hohe thermische Belastung der Asynchronmaschine zu erwarten ist.

Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird neben der einfachen Steuerung zudem der Vorteil erzielt, dass keine Stromerfassung für den Regelungsprozess erforderlich ist. Des weiteren können unterschiedliche Lagegeber verwendet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Verfahren bei beliebigen Belastungsmomentenverläufen anwendbar ist.

Claims

Verfahren zur Verwendung einer elektrischen Maschine als Stellmotor, insbesondere bei Betätigungseinrichtungen eines Automatgetriebes oder eines automatisierten Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Differenz zwischen Soll- und Istlage mittels eines ersten Reglers eine Soll-Motordrehzahl ermittelt wird, welche mit der aktuellen Ist-Motordrehzahl verglichen wird, wobei aus der Soll-Motordrehzahl mittels eines Motormoment-Reglers ein Motor-Sollmoment ermittelt wird, anhand dessen die elektrische Maschine angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lagegeber zur Lageregelung der elektrischen Maschine ein Drehzahlgeber verwendet wird, dessen Signal durch Integration bis zur Ziellage als Lagegebersignal und andererseits direkt als Drehzahlsignal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lagegeber zur Lageregelung der elektrischen Maschine ein Impulsgeber verwendet wird, dessen Signal zum einen als Lagegebersignal und zum anderen als Drehzahlgebersignal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer Asynchronmaschine im Bereich der Läuferfrequenz f₂ zwischen Leerlauf (f₂ = 0) und Kippmoment (f₂ = fkipp) aufgrund des überwiegend linearen Charakters der Abhängigkeit der Läuferfrequenz vom Belastungsmoment dem Sollmoment direkt eine entsprechende Läuferfrequenz zugewiesen wird, wobei die für die Ansteuerung des Motors benötigte Statorfrequenz f₁ dadurch bestimmt wird, dass die Läuferfrequenz f₂ zur Drehzahlfrequenz addiert wird, und wobei die erforderliche Spannungsamplitude aus der Kennlinie ermittelt wird, die den Zusammenhang zwischen der Statorfrequenz f₁ und der Spannung darstellt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinenfluss dem jeweiligen Motormomentbedarf angepasst wird, um die thermisch wirksame Verlustleistung in der Asynchronmaschine zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorspannung nach Vorgabe einer Soll-Läuferfrequenz adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionsfunktion für die Motorspannung durch folgende Gleichung gegeben ist:
wobei f_{2_max} die maximal zulässige Läuferfrequenz darstellt und k_ψ ein Parameter ist, durch dessen Wahl der Beeinflussungsgrad der Adaption auf die Soll-Spannungsamplitude einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer Asynchronmaschine die Asynchronmaschine mit einer festen Frequenz betrieben wird, wobei das Motormoment über die Spannung eingestellt wird, so dass die Motorklemmenspannung als Stellgröße des Motormomentenreglers dient.