DE102010005568A1

DE102010005568A1 - Schätzung der Solenoidaktuatorkraftleitung durch Analyse von Spannungs- und Stromsignalen

Info

Publication number: DE102010005568A1
Application number: DE102010005568A
Authority: DE
Inventors: Christopher V. Clarkston Kurmaniak; Thaddeus R. Oakland Kopp
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2010-08-19
Also published as: US8463566B2; US20100198538A1

Abstract

Ein Verfahren zum Schätzen einer Kraftausgabe einer Solenoidbaugruppe, die eine Solenoidspule und einen entsprechenden Anker enthält, auf den die Solenoidspule eine Solenoidmagnetkaft ausübt, wird bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet einen Schritt des Messens von mehreren Datenpunkten eines von der Solenoidspule gezogenen Stroms, was zu mehreren gemessenen Stromwerten führt, einen Schritt des Messens von mehreren Datenpunkten einer an die Solenoidspule gelieferten Spannung, was zu mehreren gemessenen Spannungswerten führt, und einen Schritt des Schätzens der auf den entsprechenden Anker ausgeübten Solenoidmagnetkaft auf der Basis der mehreren gemessenen Spannungs- und Stromwerte, was zu einem geschätzten Kraftwert führt.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein Solenoid ist eine Drahtspule, die eine magnetische Kraft liefert, wenn ein Strom durch sie geschickt wird. Ein Solenoid kann gesteuerte Magnetfelder erzeugen, und deshalb werden Solenoide oftmals als Elektromagnete zum Erzeugen von linearen Kräften verwendet. Dementsprechend enthält ein Solenoid einen festen Stator und einen sich bewegenden Anker. Solenoide können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie etwa bei aktiv gesteuerten Kupplungen und Differentialen. Bei diesen Arten von Anwendungen ist es üblich, eine bekannte Eingabe an den Solenoiden anzulegen, um eine vorhersagbare Ausgangskraft zu empfangen. Ein Faktor jedoch, der die Kraftabgabe eines Solenoids beeinflußt, ist der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Anker. Für einen in einer Allradantriebskupplung (AWD – All-Wheel Drive) verwendeten Solenoid war es jedoch schwierig, den Luftspalt direkt zu messen oder zu überwachen. Deshalb ist es schwierig, die zum Erhalten gewünschter Ausgaben erforderliche Eingabe vorherzusagen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Unter Erfüllung der obigen Notwendigkeit sowie zum Überwinden der aufgezählten Mängel und anderer Beschränkungen des Stands der Technik stellt die vorliegende Erfindung Verfahren bereit zum Schätzen einer Kraftabgabe und Temperatur einer Solenoidspule auf der Basis von Meßwerten für den von der Solenoidspule gezogenen Strom und der an die Solenoidspule angelegten Spannung.
Bei einem Aspekt wird ein Verfahren zum Schätzen einer Kraftabgabe einer Solenoidbaugruppe bereitgestellt, die eine Solenoidspule und einen entsprechenden Anker umfaßt, auf den die Solenoidspule eine Solenoidmagnetkraft ausübt. Das Verfahren beinhaltet das Messen von mindestens zwei Datenpunkten eines von der Solenoidspule gezogenen Stroms und das Messen von mindestens zwei Datenpunkten einer an die Solenoidspule angelegten Spannung. Die auf den entsprechenden Anker ausgeübte Solenoidmagnetkraft wird auf der Basis der gemessenen Spannungs- und Stromwerte geschätzt.
Bei einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Schätzen einer Spulentemperatur einer Solenoidspule mit einem entsprechenden Anker, auf den die Solenoidspule eine Solenoidmagnetkraft ausübt, bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Messen von mindestens zwei Datenpunkten eines von der Solenoidspule gezogenen Stroms und das Messen von mindestens zwei Datenpunkten einer an die Solenoidspule angelegten Spannung. Die Temperatur der Solenoidspule wird auf der Basis der mehreren gemessenen Spannungs- und Stromwerte geschätzt.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Fachmann ohne weiteres nach einer Betrachtung der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Ansprüche, die an diese Spezifikation angehängt sind und einen Teil dieser bilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer Kupplung, die eine Solenoidbaugruppe gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthält;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Solenoidbaugruppe von 1 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung und
3 ist ein Schemadiagramm eines RL-Kreises, der den Kreis der Solenoidbaugruppe von 1 und 2 darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 wird eine Kupplung 10 zur Verwendung in einem Motorfahrzeug dargestellt. Die Kupplung 10 kann dazu verwendet werden, Kraftübertragungskomponenten oder Achsen eines Fahrzeugs zu koppeln. Als solches besitzt die Kupplung 10 ein Eingabeglied 12, das durch eine modulierende Kupplungsbaugruppe 50 mit einem Kugelrampenantrieb 52 selektiv an ein Ausgangsglied 14 gekoppelt ist. Das Eingangsglied 12 kann in einer im wesentlichen koaxialen Beziehung zu dem Ausgangsglied 14 angeordnet sein, wie in 1 gezeigt, oder das Eingangs- und Ausgangsglied 12, 14 können in einer anderen Beziehung angeordnet sein, wie etwa einer im wesentlichen senkrechten Beziehung. Ein Beispiel für eine Kupplungseinrichtung mit einer oder mehreren modulierenden Kupplungsbaugruppen und mit einem Kugelrampenantrieb ist aus dem US-Patent Nr. 6,905,008 an Kowalsky bekannt, das durch Bezugnahme in seiner Gänze hier aufgenommen ist. Ein weiteres Beispiel ist aus US-Patent Nr. 5,839,328 an Showalter bekannt, das durch Bezugnahme in seiner Gänze hier aufgenommen ist.
Die modulierende Kupplungsbaugruppe 50 transferiert Drehmoment selektiv von dem Eingangsglied 12 zu dem Ausgangsglied 14 durch Aktivieren eines elektrischen Kupplungsantriebs 54 der modulierenden Kupplungsbaugruppe 50. Der elektrische Kupplungsantrieb 54 kann dahingehend betätigt werden, ein Pilotkupplungspaket 56 in Eingriff zu nehmen, wie unten beschrieben, oder das Pilotkupplungspaket 56 kann entfallen und der elektrische Kupplungsantrieb 54 kann ein Hauptkupplungspaket 58 auf beliebige andere geeignete Weise in Eingriff nehmen.
Der elektrische Kupplungsantrieb 54 kann eine Solenoidspule 60 umfassen, die von einem Spulengehäuse 62 umgeben ist, die dahingehend bestromt werden kann, einen ringförmigen Solenoidspulenanker 64 nach links zu drücken, wie in 1 dargestellt. Wenn der Solenoid den Anker 64 nach links drückt, wird der Luftspalt zwischen der Solenoidspule 60 und dem Anker 64 kleiner und der Anker 64 kontaktiert Vorderkanten 66 des Spulengehäuses 62. Während sich der Anker 64 nach links bewegt, bewegt er Bolzen 68 nach links. Die Bolzen 68 sind an einer Druckplatte 70 angebracht, so daß, wenn sich die Bolzen 68 aufgrund dessen nach links bewegen, daß sich der Solenoidanker 64 nach links bewegt, sich die Druckplatte 70 nach links bewegt, um das Pilotkupplungspaket 56 zu komprimieren. Das Pilotkupplungspaket 56 weist eine erste Mehrzahl von Kupplungsplatten 71 auf, die an das Eingangsglied 12 gekoppelt sind, und eine zweite Mehrzahl von Kupplungsplatten 73, die an eine Kupplungsnabe 72 gekoppelt sind.
Beim Komprimiertwerden nimmt das Pilotkupplungspaket 56 den Kugelrampenantrieb 52 in Eingriff, um Drehmoment zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied 12, 14 durch die Pilot- und Hauptkupplung 56, 58 zu transferieren. Insbesondere ist die Kupplungsnabe 72 frei drehbar an dem Ausgangsglied 14 angeordnet. Mehrere rampenförmige Vertiefungen 74 sind in einem kreisförmigen Muster um die Achse des Ausgangsglieds 14 angeordnet. Innerhalb der Vertiefungen 74 sind Lastübertragungsglieder wie etwas Kugellager 76 oder ähnliche Komponenten angeordnet, die entlang der durch die Vertiefungen 74 definierten Rampen rollen. Ein ringförmiges Glied 78 ist in entgegengesetzter Relation mit der Kupplungsnabe 72 angeordnet und enthält eine gleiche Mehrzahl von komplementär bemessenen Vertiefungen 74. Bei Kompression des Pilotkupplungspakets 56 wird die Kupplungsnabe 72 von dem ringförmigen Glied 78 weggezogen, was bewirkt, daß die Kugellager 76 die Vertiefungen 74 hochlaufen. Während die Kugellager 76 die Vertiefungen 74 hochlaufen, werden die Kupplungsnabe 72 und das ringförmige Glied 78 auseinandergetrieben. Wenn das ringförmige Glied 78 von der Kupplungsnabe 72 weggetrieben wird, wirkt das ringförmige Glied 78 als eine Ausübungsplatte zum Komprimieren des Hauptkupplungspakets 58.
Bei Kompression transferiert das Hauptkupplungspaket 58 ein Drehmoment auf das Ausgangsglied 14. Insbesondere umfaßt das Hauptkupplungspaket 58 mehrere verzahnte Kupplungsplatten 80. Eine erste Mehrzahl 82 der Kupplungsplatten 80 ist an das Eingangsglied 12 gekoppelt, indem es entweder direkt gekoppelt oder selektiv gekoppelt ist, beispielsweise durch das oben beschriebene Pilotkupplungspaket 56. Eine zweite Mehrzahl 84 von Kupplungsplatten 80 ist an das Ausgangsglied 14 gekoppelt. Beim Komprimiertwerden drehen sich die ersten und zweiten Mehrzahlen 82, 84 von Kupplungsplatten 80 zusammen, und das Hauptkupplungspaket 58 koppelt deshalb das Eingangsglied 12 und das Ausgangsglied 14.
Die Kupplung 10 könnte viele andere angemessene Konfigurationen aufweisen, nicht notwendigerweise mit einem Kugelrampenantrieb und primärem und sekundärem Kupplungspaket, ohne außerhalb des Gedankens und Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung zu liegen. Zu weiteren Beispielen zählen unter anderem elektromechanische Einrichtungen und elektrohydraulische Einrichtungen. Beispielsweise könnte die Kupplungsbaugruppe 50 eine einstufige Kupplung sein, wobei die Kraft durch eine Zylinder-Kolben-Anordnung ausgeübt wird. Die Kupplung 10 kann einen beliebigen angemessenen Elektromotor enthalten, der konfiguriert ist, die Kupplungsplatten 80 mechanisch zu komprimieren, ohne außerhalb des Gedankens und Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung zu liegen. Eine elektrohydraulische Einrichtung kann eine Elektropumpe und/oder ein elektrisch betätigtes Ventil enthalten, um die Kupplungsplatten 80 hydraulisch zu komprimieren.
Weiterhin können die Solenoidspule 60, das Spulengehäuse 62 und der Anker 64 andere angemessene Konfigurationen aufweisen, ohne außerhalb des Gedankens und Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung zu liegen. Beispielsweise könnten das Gehäuse 62 und der Anker 64 kegelstumpfförmige Oberflächen aufweisen, wie jene, die aus US-Patent Nr. 6,905,008 an Kowalsky et al. bekannt sind, das oben unter Bezugnahme in seiner Gänze aufgenommen ist.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf 2 eine Nahaufnahme des elektromagnetischen Aktuators 54 dargestellt, der das Solenoid 60, das Solenoidgehäuse 62 und den Anker 64 enthält. Wie oben angeführt kann der Anker 64 mit Zapfen 68 und einer Druckplatte 70 verbunden sein, oder der Anker 64 könnte eine Kraft auf beliebige andere geeignete Weise übertragen. Weiterhin kann der Anker 64 kreisförmig sein, wie im Querschnitt in 1 gezeigt, oder der Anker 64 kann gerade sein oder er kann eine beliebige andere geeignete Gestalt aufweisen, ohne außerhalb des Gedankens und Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung zu liegen.
Die Solenoidspule 60 erzeugt bei Versorgung mit einem elektrischen Strom ein Magnetfeld, dessen Stärke als der magnetische Fluß Φ bezeichnet wird. Wenn eine Spule mit N Windungen, die einen Strom i führt, um einen magnetischen Kern gewickelt ist, erzeugt die von der Spule generierte magnetomotorische Kraft (mmf) F einen Fluß Φ, der hauptsächlich innerhalb des Kerns konzentriert ist und von dem angenommen wird, daß er über den Querschnitt des Kerns hinweg gleichförmig ist. Unter Bezugnahme auf 2 ist die Solenoidspule 60 so gezeigt, daß sie einen magnetischen Fluß Φ erzeugt.
Wenn ein magnetischer Fluß Φ erzeugt wird, wirkt eine magnetische Kraft f auf den Anker 64, um den Anker 64 zu dem Spulengehäuse 62 zu ziehen und den Luftspalt x zwischen dem Anker 64 und dem Spulengehäuse 62 zu schließen. Die auf den Anker 64 wirkende magnetische Kraft f ist durch die folgende Gleichung gegeben:
wobei f die auf den Anker 64 wirkende magnetische Kraft, Φ der magnetische Fluß, A die Querschnittfläche des magnetischen Kerns (in diesem Fall die Abschnitte des Solenoidgehäuses 62, die den Anker 64 berühren) und μ₀ die Permeabilitätskonstante ist, deren Wert μ0 = 4π × 10–7 T·m/A (2)beträgt. Der magnetische Fluß steht wie folgt zu der magnetischen Reluktanz R in Beziehung: N·i = R(x)·ϕ (3)wobei N die Anzahl von Windungen in der Solenoidspule 60, i der von der Solenoidspule 60 gezogene Strom, R(x) die magnetische Reluktanz, die eine Funktion des Luftspalts x ist, und Φ der magnetische Fluß ist. Wenn nach dem magnetischen Fluß in Gleichung (3) gelöst wird, kann die magnetische Kraft f direkt zu der magnetischen Reluktanz R(x) in Beziehung gesetzt werden:
Wenn sich ein Strom i in den Windungen einer Solenoidspule etabliert, erzeugt der Strom einen magnetischen Fluß Φ durch das zentrale Gebiet der Solenoidspule 60, wie oben angegeben. Somit ist die Solenoidspule 60 eine Induktionsspule und die Induktanz L der Induktionsspule ist gegeben durch:
wobei L die Induktanz, N die Anzahl von Windungen in der Solenoidspule 60, Φ der magnetische Fluß und i der von der Solenoidspule 60 gezogene Strom ist. Bei jeder Induktionsspule erscheint immer dann eine selbstinduzierte elektromotorische Kraft (EMF) ε_L, wenn sich der Strom mit der Zeit ändert, was in einer Messung von Volt ausgedrückt werden kann. Mit anderen Worten beeinflußt die Änderungsrate des Stroms den Wert der selbstinduzierten EMF ε_L. Die selbstinduzierte EMF ε_L widersetzt sich dem Anstieg des Stroms und widersetzt sich somit der EMF ε der Spannungsquelle in einer Schaltung. Das Faradaysche Gesetz definiert die EMF ε wie folgt:
wobei ε die EMF und dΦ/dt die zeitliche Änderung beim magnetischen Fluß ist. Wenn der magnetische Fluß durch eine Spule mit N Windungen verändert wird, erscheint eine induzierte EMF in jeder Windung, und die in der Spule induzierte Gesamt-EMF ist die Summe der individuellen induzierten EMF. Wenn die Spule eng gewickelt ist, so daß der gleiche magnetische Fluß Φ durch alle Windungen hindurchtritt, beträgt die in der Induktionsspule induzierte Gesamt-EMF:
wobei ε_L die EMF der Induktionsspule, N die Anzahl von Windungen in der Spule und dΦ/dt die zeitliche Änderung beim magnetischen Fluß ist. Durch Einsetzen der Äquivalente aus Gleichung (5) kann die Induktionsspulen-EMF ε_L ausgedrückt werden als:
wobei ε_L die EMF der Induktionsspule, L die Induktanz und di/dt die zeitliche Änderung des Stroms ist. Durch Verknüpfen der Gleichungen (7) und (8) kann der Fluß Φ zu der Induktanz L und der Änderung beim Strom di/dt in Beziehung gesetzt werden:
Somit erscheint bei einem RL-Kreis wegen der Induktionsspule eine selbstinduzierte EMF ε_L in dem Kreis und widersetzt sich der EMF ε der Spannungsquelle. Unter der Annahme, daß der die Solenoidspule 60 enthaltende Kreis nach einem RL-Kreis mit einer Spannungsquelle und einem gewissen Widerstand modelliert werden kann, kann ein einfacher RL-Kreis zum Schätzen der Systemparameter verwendet werden. Unter Bezugnahme auf 3 besitzt ein RL-Kreis 90 eine Spannungsquelle 92, einen Widerstand 94 und eine Induktionsspule 96. Durch Anwenden des zweiten Kirchhoffschen Gesetzes wird die folgende Gleichung aus dem RL-Kreis 90 erhalten:
wobei ε die von der Spannungsquelle 92 gelieferte EMF in Volt, L die Induktanz, di/dt die zeitliche Änderung des Stroms, R der Widerstand und i der gezogene Strom ist. Es wird angenommen, daß sich der elektrische Widerstand R durch eine Änderung beim Luftspalt x nicht ändert und die Induktanz L eine Funktion des Luftspalts x ist und eine Funktion von Temperatur und Spannung sein kann.
Aus den vorausgegangenen Gleichungen ist ersichtlich, daß der magnetische Fluß Φ und die Magnetkraft f berechnet werden können, wenn bestimmte Systemparameter gemessen oder geschätzt werden können. Insbesondere können die an die Solenoidspule 60 angelegte Spannung ε und der von der Solenoidspule 60 gezogene Strom i gemessen werden. Der Strom i kann beispielsweise mit einer Stromsonde gemessen werden. Ein Stromsensor könnte sich unter anderem an einem Controller befinden. Wenn über die Zeit hinweg mehrere Werte für Spannung ε und Strom i gemessen werden, können mit der Gleichung (10) der Widerstand R und die Induktanz L der Solenoidspule 60 geschätzt werden. Ein Verfahren der linearen Differenzierung, wie etwa die Finite-Differenzen-Methode, kann gegebenenfalls zum Schätzen der Werte für R und L verwendet werden. Nachdem die Werte für R, L, i und angelegte Spannung (ε) bestimmt sind, können andere interessierende Parameter berechnet werden, wie etwa die Reluktanz R(x) und die Magnetkraft f, indem die Gleichungen (1)–(5) angewendet werden, als Beispiel. Somit zieht die vorliegende Erfindung das Messen der angelegten Spannung ε und des gezogenen Stroms i über eine Zeitperiode in Betracht, um die auf den Anker 64 zu einem beliebigen zeitlichen Datenpunkt wirkende Solenoidmagnetkraft f zu bestimmen. Deshalb kann ein ungefährer Wert der magnetischen Kraft f an einem beliebigen Zeitpunkt bestimmt werden, und das Tastverhältnis kann eingestellt werden, um die gewünschte Solenoidmagnetkraft f einzustellen. Mit anderen Worten: wenn die an die Solenoidspule 60 angelegte Spannung ε eine impulsbreitenmodulierte (PWM) Spannung ist, kann das Tastverhältnis oder die Frequenz der PWM-Spannung eingestellt werden, um die Kraft f zu beeinflussen. Bei anderen Ausführungsformen könnte die angelegte Spannung ε variabel sein, wobei dann der Pegel der angelegten Spannung erhöht oder reduziert werden könnte, um die Kraft f zu beeinflussen.
Es versteht sich, daß, wenn sich der Anker 64 von der Solenoidspule 60 wegbewegt, der Luftspalt x zunimmt und die Größe der Magnetkraft f, die der Anker 64 übertragen kann, um das Pilotkupplungspaket 56 zu komprimieren, abnimmt. Somit gestattet das Schätzen der Magnetkraft f auf der Basis der elektrischen Parameter des Solenoidsystems, daß, falls erforderlich, eine Spannung über eine längere Zeitperiode in einem System angelegt werden kann, das eine impulsbreitenmodulierte angelegte Spannung verwendet; mit anderen Worten kann das Tastverhältnis von einem Controller modifiziert werden, um die Größe der Magnetkraft f abzuändern.
Bei zuvor beschriebenen typischen Konstruktionen von Solenoiden ist der Luftspalt zwischen dem Anker und der Spule variabel. Außerdem wird L durch diese Konstruktion mit variablem Luftspalt stark beeinflußt. Folglich ist es von Interesse, Darstellungen von L und indirekt F zu konstruieren, die mit Kalibrierungsverfahren kompatibel sind, die entweder gut der Physik von L entsprechen oder F leicht berechnen lassen.
Die Magnetkraft f und die Induktanz L können direkt in Beziehung gesetzt werden, wenn die Gleichungen (1) und (5) kombiniert werden, wodurch man zu der folgenden Beziehung kommt:
wobei f die auf den Anker 64 wirkende Magnetkraft des Solenoids 60, L die Induktanz, i der von dem Solenoid 60 gezogene Strom, N die Anzahl von Spulenwindungen, A die Querschnittsfläche des Magnetkerns (in diesem Fall die Abschnitte des Solenoidgehäuses 62, die den Anker 64 berühren) und μ₀ die Permeabilitätskonstante, deren Wert durch Gleichung (2) gegeben ist, ist. Wie oben angegeben können der Strom i gemessen und die Induktanz L anhand von Gleichung (10) berechnet werden oder auf irgendeine andere geeignete Weise, und da der Rest der Variablen in Gleichung (11) konstant ist, kann die Solenoidmagnetkraft f bestimmt werden. Somit kann die Kraft f an jedem Datenpunkt geschätzt werden, ohne tatsächlich die Kraft f zu messen. Kurz gesagt, wird die Solenoidmagnetkraft f einzig anhand der elektrischen Parameter des Solenoidsystems geschätzt.
Wie oben angegeben sind die Werte von N, A und μ₀ in Gleichung (11) für ein gegebenes Solenoid 60, ein gegebenes Spulengehäuse 62 und einen gegebenen Anker 64 konstant. Somit kann Gleichung (11) umgeschrieben werden als: f = c·L2·i2 + c0 (12)wobei f die auf den Anker 64 wirkende Magnetkraft des Solenoids 60 ist, c und c₀ Konstanten sind, die auf allen konstanten Parametern des Systems basieren, L die Induktanz, wenn die Solenoidspule 60, und i der vom Solenoid 60 gezogene Strom ist. Da es schwierig sein kann, die Werte der Konstanten von Gleichung (11) in einer tatsächlichen Solenoidspule 60 zu bestimmen, können die Konstanten c und c₀ bestimmt werden, indem das Solenoidsystem vor dem Einsatz kalibriert wird. Wie weiter oben angegeben, kann die Induktanz eine Funktion von Temperatur und Spannung sein.
Modellparameter, zu denen die Konstanten c und c₀ und die Induktanz L zählen, die eine Funktion des Luftspalts, der Temperatur und der Spannung sein kann, können unter Verwendung einer Kalibrierungsprozedur bestimmt werden. Die Kalibrierungsprozedur kann eingesetzt werden, um den Solenoid 60 zu kalibrieren, wobei zum Messen der Kraft f ein Kraftsensor verwendet wird. Weiterhin kann die Kalibrierungsprozedur das Messen einer angelegten Spannung ε und des gezogenen Stroms i beinhalten. Der Luftspalt x kann um das 10–12fache vergrößert werden, um Daten an verschiedenen Luftspalten x zu sammeln, bevorzugt beginnend mit dem kleinsten Luftspalt x und endend mit dem größten Luftspalt x. Die Induktanz L kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren bestimmt werden, indem beispielsweise eine Finite-Differenzen-Methode verwendet wird, um den Widerstand R und die Induktanz L in die Gleichung (10) zu lösen. Ein Weg zum Lösen nach dem Widerstand R und der Induktanz L besteht darin, eine Kurvenanpassung der kleinsten Quadrate von Widerstand R und Induktanz L an die Daten der Spannung ε und des Stroms i zu verwenden. Danach können die gemessenen Werte der Kraft f als eine Funktion von L²i² aufgetragen werden, und die Konstanten c und c₀ können anhand der grafischen Darstellung bestimmt werden, um Gleichung (12) zu vervollständigen. Nachdem die Konstanten c und c₀ bestimmt sind, kann die Gleichung (12) in einen Controller wie etwa in eine Elektroniksteuereinheit (ECU) programmiert werden, um zukünftige Werte der Kraft f zu bestimmen. Dann brauchen für ein in einem Produktionsteil verwendetes Solenoidsystem nur die Spannung ε und der Strom i gemessen werden, um die Kraft f zu berechnen. Mit anderen Worten wird der Kraftsensor nur zum Kalibrieren des Controllers verwendet, und der Kraftsensor wird nicht in jedem Produktionsteil verwendet. Idealerweise können die Konstanten c und c₀ für mehrere Solenoidsysteme mit dem gleichen Modell von Solenoidspulen 60 gemessen werden, und die mittleren Konstanten c, c₀ können für Produktionscontroller implementiert werden.
Bei einer weiteren Variation kann zum Berechnen der Magnetkraft f eine lineare Funktion von L(x) auf der Basis einer Variation des Luftspalts x verwendet werden. Dies kann das Schätzen des Luftspalts x beinhalten, um die auf den Anker 64 wirkende Magnetkraft f zu bestimmen. Da die Induktion L eine Funktion des Luftspalts x ist, ist auch die Reaktionszeit des Stroms i gegenüber dem Luftspalt x empfindlich. Die Induktanz L kann anfänglich durch das Messen des Stroms i und der Spannung ε und unter Verwendung von Gleichung (10) bestimmt werden, um Datenpunkte für Induktanz L und Widerstand R zu bestimmen, wie oben erläutert. Weiterhin kann der Luftspalt x durch anfägliche Kalibrierungsschritte bestimmt werden ähnlich jenen, die oben bezüglich der Kraftberechnung beschrieben sind. Somit wird in den Kalibrierungsschritten der Luftspalt x anfänglich unter Verwendung einer Wegmeßeinrichtung wie etwa eines Differentialtransformators (LVDT – Linear Variable Differential Transformer) gemessen. Da die Induktanz L eine Funktion des Luftspalts x ist, können die geschätzten Datenpunkte der Induktanz L (auf der Basis des gemessenen Stroms i und der Spannung ε) als Funktion der Datenpunkte des gemessenen Luftspalts x aufgetragen werden, um Modellparameter zu erhalten. Eine Kurve kann dann an die Datenpunkte für die Induktanz L und den Luftspalt x angepaßt werden. Die Beziehung der Induktanz L und des Luftspalts x können unter Verwendung einer Kurvenanpassung wie etwa eines linearen Modells, eines inversen Modells, eines exponentiellen Modells oder möglicher anderer Polynommodelle approximiert werden. Wenn eine lineare Kurve verwendet wird, kann die folgende Beziehung verwendet werden, um die Korrelation zwischen Induktanz L und Luftspalt x zu erläutern: L = c1x + c2 (13)wobei L die Induktanz, x der Luftspalt und c₁ und c₂ Konstanten sind, die die Beziehung zwischen Induktanz L und Luftspalt x beschreiben, wenn ein lineares Modell verwendet wird. Wenn ein inverses Modell verwendet wird, kann die folgende Gleichung verwendet werden, um die Korrelation zwischen Induktanz L und Luftspalt x zu erläutern:
wobei L die Induktanz, x der Luftspalt ist und c₃ und c₄ Konstanten sind, bestimmt aus dem Auftragen von mehreren Datenpunkten für die Induktanz L als Funktion des gemessenen Luftspalts x und des Anpassens selbiger an eine inverse Kurve. Wenn ein exponentielles Modell verwendet wird, kann die folgende Gleichung verwendet werden, um die Korrelation zwischen der Induktanz L und dem Luftspalt x zu erläutern:
wobei L die Induktanz, x der Luftspalt ist und c₅ und c₆ Konstanten sind, bestimmt aus dem Auftragen von mehreren Datenpunkten für die Induktanz L als Funktion des Luftspalts x und des Anpassen selbiger an eine exponentielle Kurve. Ein anderer Weg, die Lösung dieser Gleichungen zu betrachten, besteht darin, die Gleichungen (10) und (13) zu kombinieren, als Beispiel, was zu der folgenden Gleichung führt:
Dann kann beispielsweise die Finite-Differenzen-Methode verwendet werden, um die Systemparameter Widerstand R und die Konstanten c₂ und c₁ zu extrahieren, auf der Basis von Messungen von angelegter Spannung ε, gezogenem Strom i und Luftspalt x. Nachdem die Konstanten c₂ und c₁ für ein bestimmtes Solenoidmodell bestimmt worden sind, kann die Gleichung (16) in einen Controller eines Produktionssolenoidsystems programmiert werden, dem eine Wegmeßeinrichtung fehlt. Im Produktionsteil ist es zum Bestimmen von Widerstand R und Luftspalt x möglich, allein Strom i und Spannung ε zu messen, weil die Konstanten c₂ und c₁ während der Kalibrierungsprozedur bestimmt wurden. Weiterhin könnte der Controller beispielsweise unter Verwendung von Gleichung (13) nach der Induktanz L lösen.
Die Magnetkraft f kann geschätzt werden, indem anfänglich Kalibrierungsschritte verwendet werden, bei denen die Kraft f mit einem Kraftsensor wie oben beschrieben gemessen wird, zusammen mit dem Messen von Strom i, Spannung ε und Luftspalt x. Datenpunkte für Kraft f als Funktion des Luftspalts x und des Stroms i können aufgetragen und an eine dreidimensionale Kurve angepaßt werden. Die folgende Gleichung stellt die dreidimensionale Kurve dar: f = CA + x·CB + i·CC + x·i·CD + x2·CE + i2·CF (17)wobei i der gemessene Wert des von dem Solenoid 60 gezogenen Stroms, x der gemessene Luftspalt, f die auf den Anker 64 wirkende Magnetkraft des Solenoids 60 ist und C_A, C_B, C_C, C_D, C_E und C_F Konstanten sind, die auf Mittelwerten basieren, die durch das Schätzen der elektrischen Parameter einer Solenoidspule 60 oder bevorzugt von vielen Solenoidspulen 60 erhalten werden, wobei es sich bei jeder um das gleiche besondere Modell handelt. Da die Kraft f, der Luftspalt x und der Strom i jeweils in den Kalibrierungsschritten gemessen werden, können die Konstanten C_A, C_B, C_C, C_D, C_E und C_F durch eine lineare Differenzierung bestimmt werden, wie etwa die Finite-Differenzen-Methode, oder mit anderen Worten werden die Konstanten der aufgetragenen Kurve bestimmt. Nachdem die Konstanten C_A, C_B, C_C, C_D, C_E und C_F bestimmt werden kann die Gleichung (17) auch in den Controller zusammen mit Gleichung (16) programmiert werden, so daß bei einem Produktionssolenoidsystem der Controller in der Lage ist, den Luftspalt x auf der Basis der Messungen von Spannung ε und Strom i unter Verwendung von Gleichung (16) mit den bestimmten Konstanten zu berechnen und der Controller weiterhin in der Lage ist, die Kraft f auf der Basis des gemessenen Stroms i und des geschätzten Luftspalts x unter Verwendung von Gleichung (17) mit den bestimmten Konstanten zu berechnen. Somit kann der Controller die Kraft f auf der Basis der elektrischen Parameter des Systems bestimmen, ohne die Kraft f an dem Produktionsteil zu messen. Wenn der Controller in der Lage ist, die Kraft f zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt zu bestimmen, kann der Controller konfiguriert sein, das Tastverhältnis des Solenoidsystems abzuändern, um die Kraft f dahingehend zu beeinflussen, daß die Kraft f auf eine gewünschte Höhe gebracht wird, wie oben erläutert.
Wenn als Alternative der Luftspalt x unter Verwendung von Gleichung (16) mit bestimmten Konstanten durch den Controller geschätzt wird, kann die Kraft f auf jede andere geeignete Weise geschätzt werden, wie etwa durch Anwenden der Gleichungen (13) und (11). Weiterhin können die elektrischen Parameter wie etwa die Induktanz L auf beliebige geeignete Weise bestimmt werden, ohne außerhalb des Gedankens und Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung zu liegen.
Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung ziehen auch das Berechnen oder Schätzen der Temperatur der Solenoidspule 60 auf der Basis der elektrischen Parameter des Systems in Betracht. Die Kenntnis der Temperatur der Solenoidspule 60 kann wichtig sein, um die Leistung von anderen Teilen der Kupplungsbaugruppe 50 zu schätzen. Beispielsweise nimmt das von dem Kupplungspaket 58 erzeugte Drehmoment mit steigender Temperatur ab.
Die Anmelder haben bestimmt, daß die Temperatur der Solenoidspule 60 direkt proportional zu dem Widerstand R ist. Der Widerstand R kann auf beliebige geeignete Weise bestimmt werden, was folgendes beinhalten kann: Messen der mehreren Datenpunkte des von der Solenoidspule 60 gezogenen Stroms i und der an die Solenoidspule 60 angelegten Spannung ε über die Zeit hinweg und Anwenden von Gleichung (10), um den Widerstand R der Solenoidspule 60 zu bestimmen. Danach können zum anfänglichen Kalibrieren des Controllers Kalibrierungsschritte verwendet werden, die ähnlich jenen oben beschriebenen sind. Insbesondere wird in einem Kalibrierungsumfeld ein Temperatursensor verwendet, um die Temperatur T der Solenoidspule 60 an mehreren Punkten im Laufe der Zeit zu messen, zusammen mit den Messungen von Strom i und Spannung ε. Die Temperatur T kann dann als Funktion des Widerstands R aufgetragen werden. Eine lineare Kurve kann an die Temperatur-Widerstands-Datenpunkte angepaßt werden, die durch die folgende Gleichung beschrieben werden kann: T = c7·R + c8 (18)wobei T die Temperatur der Solenoidspule 60, R der Widerstand der Solenoidspule 60 ist und c₇ und c₈ die Konstanten der Temperatur-Widerstands-Kurve sind. Nachdem c₇ und c₈ bestimmt sind, beispielsweise durch Messen/Schätzen von mehreren Datenpunkten für Temperatur T und Widerstand R über die Zeit hinweg und unter Verwendung der Finite-Differenzen-Methode zum Auflösen nach den Konstanten c₇ und c₈, kann Gleichung (18) mit den bestimmten Konstanten in den Controller programmiert werden, und bei Produktionssolenoidsystemen kann Gleichung (18) dazu verwendet werden, die Temperatur T der Solenoidspule 60 an einem beliebigen Zeitpunkt auf der Basis des Widerstands R zu bestimmen. Deshalb wird kein Temperatursensor benötigt, um die Temperatur T der Solenoidspule 60 in den Produktionsteilen zu bestimmen.
Wie ein Fachmann ohne weiteres versteht, ist die obige Beschreibung als eine Darstellung einer Implementierung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung gedacht. Diese Beschreibung soll den Gedanken oder die Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, da die Erfindung sich für eine Modifikation, Variation und Änderung eignet, ohne von dem Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie in den folgenden Ansprüchen definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6905008 [0009, 0015]
- US 5839328 [0009]

Claims

Verfahren zum Schätzen einer Kraftabgabe einer Solenoidbaugruppe, umfassend eine Solenoidspule und einen entsprechenden Anker, auf den die Solenoidspule eine Solenoidmagnetkraft ausübt, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Messen von mehreren Datenpunkten eines von der Solenoidspule gezogenen Stroms, was zu mehreren gemessenen Stromwerten führt; Messen von mehreren Datenpunkten einer an die Solenoidspule gelieferten Spannung, was zu mehreren gemessenen Spannungswerten führt; und Schätzen der auf den entsprechenden Anker ausgeübten Solenoidmagnetkraft auf der Basis der mehreren gemessenen Spannungs- und Stromwerte, was zu einem geschätzten Kraftwert führt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Schritt des Schätzen der Induktanz der Solenoidspule auf der Basis der mehreren gemessenen Spannungs- und Stromwerte.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Schritt des Schätzens des Widerstands der Solenoidspule auf der Basis der mehreren gemessenen Spannungs- und Stromwerte.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen Kalibrierungsschritt des Messen von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten einer Solenoidmagnetkraft, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungskraftwerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Messens von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten eines von der Solenoidspule gezogenen Stroms, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungsstromwerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Messens von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten einer an die Solenoidspule gelieferten Spannung, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungsspannungswerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Schätzens von mehreren Modellparametern der Solenoidspule auf der Basis der gemessenen Kalibrierungsspannungs- und -stromwerte, was zu mehreren geschätzten Modellparametern führt.
Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend einen Kalibrierungsschritt des Auftragens der gemessenen Kalibrierungskraftwerte als Funktion der gemessenen Kalibrierungsstromwerte und der geschätzten Modellparameter, was zu einer Kalibrierungskurve führt.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend das Programmieren der Kalibrierungskurve in einem Controller.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin umfassend das Einstellen eines Tastverhältnisses der Solenoidspule, um den geschätzten Kraftwert einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend das Einstellen der an die Solenoidspule angelegten Spannung zum Einstellen des geschätzten Kraftwerts.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Schätzen einer auf den entsprechenden Anker ausgeübten Solenoidmagnetkraft auf der Basis der gemessenen Spannungs- und Stromwerte ohne direktes Messen einer auf den entsprechenden Anker ausgeübten Solenoidmagnetkraft bewerkstelligt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kalibrierungsschritt des Schätzens von Modellparametern das Schätzen von mehreren Datenpunkten einer Kalibrierungsinduktanz der Solenoidspule auf der Basis der gemessenen Kalibrierungsspannungs- und -stromwerte beinhaltet, was zu mehreren geschätzten Kalibrierungsinduktanzwerten führt.
Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin umfassend einen Kalibrierungsschritt des Auftragens der gemessenen Kalibrierungskraftwerte als Funktion der gemessenen Kalibrierungsstromwerte und der geschätzten Kalibrierungsinduktanzwerte.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Kalibrierungsschritt des Schätzens von mehreren Datenpunkten einer Kalibrierungsinduktanz der Solenoidspule auf der Basis der gemessenen Kalibrierungsspannungs- und -stromwerte das Schätzen der Kalibrierungsinduktanz unter Verwendung einer Finite-Differenz-Methode beinhaltet.
Verfahren zum Schätzen einer Kraftabgabe einer Solenoidbaugruppe, umfassend eine Solenoidspule und einen entsprechenden Anker, auf den die Solenoidspule eine Solenoidmagnetkraft ausübt, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Messen von mehreren Datenpunkten eines von der Solenoidspule gezogenen Stroms, was zu mehreren gemessenen Stromwerten führt; Messen von mehreren Datenpunkten einer an die Solenoidspule gelieferten Spannung, was zu mehreren gemessenen Spannungswerten führt; Schätzen eines Solenoidspulenluftspalts auf der Basis der gemessenen Strom- und Spannungswerte, was zu einem geschätzten Solenoidspulenluftspalt führt; und Schätzen der auf den entsprechenden Anker ausgeübten Solenoidmagnetkraft auf der Basis der gemessenen Spannungs- und Stromwerte und des geschätzten Solenoidspulenluftspalts, was zu einem geschätzten Kraftwert führt.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: einen Kalibrierungsschritt des Messen von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten einer Solenoidmagnetkraft, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungskraftwerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Messens von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten eines von der Solenoidspule gezogenen Stroms, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungsstromwerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Messens von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten einer an die Solenoidspule gelieferten Spannung, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungsspannungswerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Messens von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten eines Luftspalts zwischen dem Gehäuse der Solenoidspule und dem Anker, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungsluftspaltwerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Schätzens von mehreren Datenpunkten einer Kalibrierungsinduktanz der Solenoidspule auf der Basis der gemessenen Kalibrierungsspannungs- und -stromwerte, was zu mehreren geschätzten Kalibrierungsinduktanzwerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Auftragens der gemessenen Kalibrierungsluftspaltwerte als Funktion der geschätzten Kalibrierungsinduktanzwerte, was zu einer Luftspaltkalibrierungskurve führt; und einen Kalibrierungsschritt des Auftragens der gemessenen Kalibrierungskraftwerte als Funktion der gemessenen Kalibrierungsstromwerte und der geschätzten Kalibrierungsluftspaltwerte, was zu einer Kraftkalibrierungskurve führt.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend das Programmieren der Luftspalt- und Kraftkalibrierungskurven in einen Controller.
Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend das Einstellen eines Tastverhältnisses der Solenoidspule, um den geschätzten Kraftwert einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend das Einstellen der an die Solenoidspule angelegten Spannung zum Einstellen des geschätzten Kraftwerts.
Verfahren zum Schätzen einer Kraftabgabe einer Solenoidbaugruppe, umfassend eine Solenoidspule und einen entsprechenden Anker, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Bestimmen von elektrischen Parameter des Solenoidsystems und Schätzen der Kraftabgabe der Solenoidspule zu einem gegebenen Zeitpunkt auf der Basis von elektrischen Parametern des Solenoidsystems.
Verfahren zum Schätzen einer Spulentemperatur einer Solenoidspule mit einem entsprechenden Anker, auf den die Solenoidspule eine Solenoidmagnetkraft ausübt, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Messen von mehreren Datenpunkten eines von der Solenoidspule gezogenen Stroms, was zu mehreren gemessenen Stromwerten führt; Messen von mehreren Datenpunkten einer an die Solenoidspule gelieferten Spannung, was zu mehreren gemessenen Spannungswerten führt; und Schätzen der Temperatur der Solenoidspule auf der Basis der mehreren gemessenen Spannungs- und Stromwerte, was zu einem geschätzten Temperaturwert führt.
Verfahren nach Anspruch 19, weiterhin umfassend einen Schritt des Schätzens des Widerstands der Solenoidspule auf der Basis der mehreren gemessenen Spannungs- und Stromwerte.
Verfahren nach Anspruch 19, weiterhin umfassend: einen Kalibrierungsschritt des Messens von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten einer Solenoidtemperatur, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungstemperaturwerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Messens von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten eines von der Solenoidspule gezogenen Stroms, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungsstromwerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Messens von mehreren Kalibrierungsdatenpunkten einer an die Solenoidspule gelieferten Spannung, was zu mehreren gemessenen Kalibrierungsspannungswerten führt; einen Kalibrierungsschritt des Schätzens von mehreren Datenpunkten eines Kalibrierungswiderstands der Solenoidspule auf der Basis der gemessenen Kalibrierungsspannungs- und -stromwerte, was zu mehreren geschätzten Kalibrierungswiderstandswerten führt; und einen Kalibrierungsschritt des Auftragens der gemessenen Kalibrierungstemperaturwerte als Funktion der geschätzten Kalibrierungswiderstandswerte, was zu einer Kalibrierungskurve führt.
Verfahren nach Anspruch 21, weiterhin umfassend das Programmieren der Kalibrierungskurve in einen Controller.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Solenoidspule, das Solenoidgehäuse und der Anker jeweils eine Ringkonfiguration aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Solenoidspule Teil eines elektrischen Kupplungsantriebs ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der elektrische Kupplungsantrieb weiterhin ein Kupplungspaket und eine Druckplatte umfaßt, wobei die Druckplatte von dem Anker bewegt werden kann, um das Kupplungspaket zu komprimieren.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Solenoidspule Teil einer Allradantriebskupplung ist.