DE102007014345A1

DE102007014345A1 - Elektromechanisches System und Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Systems

Info

Publication number: DE102007014345A1
Application number: DE102007014345A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kilz; Alexander Bartels
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-02
Also published as: CN101663186B; PL2129564T3; ATE511464T1; WO2008116554A1; EP2129564B1; EP2129564A1; CN101663186A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches System (1), umfassend mindestens einen Elektromotor (3) und mindestens ein mechanisches Element (4), das von dem Elektromotor (3) bewegt wird, wobei das elektromechanische System (1) mindestens ein Mittel umfasst, mittels dessen ein Einfrieren einer Betriebsflüssigkeit und/oder einer in das elektromechanische System (1) eingetretenen Flüssigkeit erfasst wird, wobei der Elektromotor (3) zyklisch in wechselnder Richtung bestromt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches System und ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Systems.
Elektromechanische Systeme sind für vielfältige Anwendungsgebiete bekannt. Insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik werden zunehmend reine mechanische Systeme durch elektromechanische Systeme ersetzt. Beispiele hierfür sind elektromechanische Lenkungen oder auch elektromechanische Bremsen. Gemeinsam ist diesen, Systemen, dass mittels eines Elektromotors ein mechanisches Element bewegt wird. Dabei kann die Bewegung des mechanischen Elements ausschließlich oder nur ergänzend über den Elektromotor erfolgen. Aufgrund der Tatsache, dass die elektromechanischen Systeme häufig oder ausschließlich im Freien eingesetzt werden, sind diese sich ändernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein elektromechanisches System sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Systems zu schaffen, mittels derer die Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit erhöht wird.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst das elektromechanische System mindestens einen Elektromotor und mindestens ein mechanisches Element, das von dem Elektromotor bewegt wird, wobei das elektromechanische System mindestens ein Mittel umfasst, mittels dessen ein Einfrieren einer Betriebsflüssigkeit und/oder einer in das elektromechanische System eingetretenen Flüssigkeit, insbesondere Wasser erfasst wird, wobei der Elektromotor zyklisch in wechselnde Richtung bestromt wird, um ein Einfrieren zu verhindern oder zu verzögern. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass bei niedrigen Außentemperaturen bei flüssigkeitsgefüllten elektromechanischen Systemen die Flüssigkeit einfrieren kann, was zu einer Blockierung des Systems führt. Gleiches gilt für eingetretene Flüssigkeiten. Dies kann zu erheblichen Folgeschäden führen. Durch die zyklische Bestromung mit wechselnder Richtung wird die Eisbildung verhindert und kleinere Verbindungen aufgebrochen. Gleichzeitig wird das System erwärmt und somit dem Einfrieren entgegengewirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel zum Erfassen des Einfrierens ein Temperatursensor, Feuchtesensor und/oder ein Stick-Slip-Erkenner. Mittels eines Temperatursensors lässt sich einfach bei Kenntnis des Gefrierpunkts der Betriebsflüssigkeit abschätzen, ob die Gefahr des Einfrierens gegeben ist. Mit einem Feuchtesensor kann das Eindringen von Flüssigkeit in einen sonst trockenen Betriebsraum detektiert werden. Alternativ oder kumulativ kann dies auch mittels eines Stick-Slip-Erkennens erfolgen, der die Daten des elektromechanischen Systems auswertet. Der Grundgedanke bei der Stick-Slip-Erkennung ist, dass bei einem beginnenden Einfrieren trotz Kraft bzw. Moment des Elektromotors das mechanische Element sich nicht bewegt (Stick-Effekt) und dann anschließend beim Losbrechen der Beginn der Bewegung im Bereich des Maximums der aufgebrachten Kraft von einer Verringerung der notwendigen Kraft zur Wegregelung gefolgt wird. Vorzugsweise wird nicht bei einem einmaligen Stick-Slip-Effekt auf ein Einfrieren geschlossen, sondern erst wenn dieser Effekt mehrere Male hintereinander auftritt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zyklische Stromsignal rechteckförmig, trapezförmig, sinusförmig oder dreieckförmig ausgebildet, wobei das Stromsignal vorzugsweise einen Mittelwert von Null aufweist, also Kraft-Offset-Frei ist, d. h. das zyklische Stromsignal bewirkt im Mittel keine zusätzliche resultierende Kraft am Elektromotor. Besonders bevorzugt ist das rechteckförmige Stromsignal, da dies eine schnelle Kraftumkehr bewirkt und einfach gebildet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenz des zyklischen Stromsignals größer 20 Hz gewählt, weiter vorzugsweise größer 40 Hz. Die Frequenz wird dabei vorzugsweise derart gewählt, dass die Beeinträchtigung für einen Nutzer bzw. den Betriebslauf des elektromechanischen Systems gering ist. Gleiches gilt für die geeignete Wahl der Amplitude des Stromsignals. Allerdings kann die Frequenz und die Amplitude auch derart gewählt werden, dass eine akustische und/oder haptische Spürbarkeit für den Nutzer gegeben ist, so dass dieser gewarnt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das zyklische Stromsignal dem Betriebsstromsignal überlagert, d. h. das „Freirütteln" findet während des normalen Betriebes statt. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, wo das zyklische Bestromen auf Ruhezustände beschränkt bzw. erweitert wird.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist eine elektromechanische Lenkung in einem Kraftfahrzeug.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1. ein schematisches Blockschaltbild eines elektromechanischen Systems und
2 eine Darstellung der Momente bzw. Ritzelwinkel einer elektromechanischen Lenkung bei einem Einfriervorgang.
In der 1 ist schematisch ein elektromechanisches System 1 dargestellt. Das elektromechanische System 1 umfasst ein Steuergerät 2, einen Elektromotor 3 und ein mechanisches Element 4, das von dem Elektromotor 3 bewegt wird. Die Ist-Position 5 des mechanischen Elementes 4 wird dem Steuergerät 2 übermittelt. Des Weiteren erhält das Steuergerät 2 eine Eingangsgröße 6, beispielsweise ein Motorsollmoment. Aus der Eingangsgröße 6 berechnet das Steuergerät ein Betriebsstrom 7, mit dem der Elektromotor bestromt wird, um das gewünschte Motormoment zu erzeugen. Weist nun das mechanische Element 4 eine Betriebsflüssigkeit auf oder befindet sich eine eingetretene Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser im Bereich des mechanischen Elementes, so besteht die Gefahr des Einfrierens. Um nun die Gefahr des Einfrierens zu erkennen, ist in dem Steuergerät 2 eine Einfriererkennung integriert. Die Einfriererkennung basiert auf der Tatsache, dass bei der Bewegung von einfrierenden flüssigkeitsgefüllten elektromechanischen Systemen charakteristische Effekte auftreten. Ursache ist eine allmähliche Eiskristallbildung in der Flüssigkeit, die deren Viskosität verändert. Dadurch kommt es zu ausgeprägten Stick-Slip-Effekten bei Einleitung von Bewegungen, wobei die Erkennung vorzugsweise für weggeregelte Systeme wie beispielsweise eine elektromechanische Lenkung geeignet ist.
Die notwendigen Kräfte zur Erkennung des Slip-Stick-Effektes sind systemabhängig, liegen aber weit über den üblichen Kräften zur Überwindung der Gesamtreibung des Systems. Aufgrund der Komplexität des zu erkennenden Effektes besteht die Umsetzung der Einfriererkennung aus zwei Teilen:

1) Die Stick-Erkennung, d. h. die Erkennung von stillstehenden Systemen bei ansteigender Kraft (Überwindung der Kraftreibung)
2) Die Slip-Erkennung, d. h. Beginn der Bewegung im Bereich des Maximus der aufgebrachten Kraft gefolgt von einer Verringerung der notwendigen Kraft zur Wegregelung (Überwindung der Gleitreibung)

Diese beiden Teile sollten mehrfach direkt aufeinander folgen, um ein Stick-Slip-Effekt sicher zu erkennen. Mehrere solcher Stick-Slip-Effekte innerhalb einer Zeitspanne weisen dann auf ein einfrierendes System hin.
Hat nun das Steuergerät 2 eine solche Situation erfasst, so wird ein zusätzliches, zyklisches Stromsignal gebildet, dessen Vorzeichen zyklisch wechselt und dessen zeitlicher Mittelwert vorzugsweise Null ist. Dieses zusätzliche Stromsignal wird dann auf den Betriebsstrom 7 aufaddiert. Die Frequenz und die Amplitude werden dabei derart gewählt, dass das Betriebsverhalten sich nicht ändert, aber durch die zyklischen Bewegungen der Eiskristallbildung entgegengewirkt wird. Vorzugsweise soll jedoch insbesondere bei von Nutzern geführten elektromechanischen Systemen, wie beispielsweise einer elektromechanischen Lenkung in einem Kraftfahrzeug der Nutzer die Gefahr mitgeteilt bekommen. Dies kann durch geeignete Wahl der Frequenz und/oder Amplitude erfolgen, die dann gleichzeitig ein haptisches und/oder akustisches Warnsignal für den Nutzer erzeugen.
In der 2 sind beispielhafte Verläufe für das Handmoment (Verlauf a), das Motorsollmoment (Verlauf b), dem Motorwinkel (Verlauf c) bzw. den Ritzelwinkel (Verlauf d) bei einer elektromechanischen Lenkung dargestellt. Üblicherweise folgt der Ritzelwinkel dem Motorsollmoment. Zum Zeitpunkt „2 min., 7,8 s" steigt jedoch das Handmoment und damit auch das Motorsollmoment an, jedoch ändert sich nicht der Ritzelwinkel. Gleiches gilt für den Motorwinkel, der dem Ritzelwinkel folgt. Der sägezahnartige Verlauf des Motorwinkels beruht dabei auf der Tatsache, dass dieser die Motorlage wiedergibt und somit mit jeder Umdrehung bei 0° begrenzt wurde.
Das Handmoment steigt dann immer weiter bis zum Zeitpunkt „2 min., 8,1 s", wo in etwa das Handmoment sein Maximum aufweist (Stick-Phase). Anschließend steigt der Motorwinkel steil an und auch der Ritzelwinkel steigt, wohingegen das Handmoment aber auch das Motorsollmoment zunächst absinken. Der Gradient vom Motorsollmoment bzw. Handmoment hat dabei ein anderes Vorzeichen als der Gradient des Ritzelwinkels (Slip-Phase). Der Zeitpunkt „2 min., 8,2 s" stellt das Ende der Stick-Slip-Phase dar. Dieser Vorgang tritt anschließend nochmals auf (2 min., 8,8 s). Diese lokalen Maxima des Handmoments bei Einsetzen der Bewegung sind auf die Tätigkeit des Fahrers zurückzuführen, der das plötzliche Losbrechen nicht schnell genug kompensieren kann.

Claims

Elektromechanisches System, umfassend mindestens einen Elektromotor und mindestens ein mechanisches Element, das von dem Elektromotor bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische System (1) mindestens ein Mittel umfasst, mittels dessen ein Einfrieren einer Betriebsflüssigkeit und/oder eine in das elektromechanische System (1) eingetretenen Flüssigkeit erfasst wird, wobei der Elektromotor (3) zyklisch in wechselnder Richtung bestromt wird.
Elektromechanisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel als Temperatursensor, Feuchtesensor und/oder als Stick-Slip-Erkenner ausgebildet ist.
Elektromechanisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Stromsignal für den Elektromotor (3) rechteckförmig, trapezförmig, sinusförmig oder dreieckförmig ausgebildet ist.
Elektromechanisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des zyklischen Stromsignals größer 20 Hz gewählt wird.
Elektromechanisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Stromsignal einem Betriebsstromsignal (7) überlagert wird.
Elektromechanisches System nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische System (1) als elektromechanische Lenkung in einem Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Systems (1), mittels mindestens einem Elektromotor (3), mindestens einem mechanischen Element (4), das von dem Elektromotor (3) bewegt wird, und mindestens einem Mittel zur Erfassung des Einfrierens einer Betriebsflüssigkeit und/oder einer in das elektromechanische System (1) eingetretenen Flüssigkeit, wobei der Elektromotor (3) zyklisch in wechselnder Richtung bestromt wird, falls das Mittel die. Gefahr des Einfrierens erkannt hat.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel als Temperatursensor und/oder Stick-Slip-Erkenner ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Stromsignal für den Elektromotor (3) rechteckförmig, trapezförmig, sinusförmig oder dreieckförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des zyklischen Stromsignals größer 20 Hz gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Stromsignal einem Betriebsstromsignal (7) überlagert wird.