DE102010048493A1

DE102010048493A1 - Verfahren zur Schlupfregelung einer Reibungskupplung und Kupplungsaktor hierzu

Info

Publication number: DE102010048493A1
Application number: DE102010048493A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Göppert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2011-05-12
Also published as: DE112010004334A5; CN102549293B; US9014935B2; WO2011054329A1; CN102549293A; US20120211323A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schlupfregelung einer Reibungskupplung mittels eines von einem elektronisch kommutierten Elektromotor betriebenen Kupplungsaktors, wobei im Kupplungsaktor eine Drehbewegung eines Rotors des Elektromotors in einen axialen, einen vorgegebenen Schlupf einstellenden Vorschub gewandelt wird und die Drehbewegung mittels mehrerer um eine Drehachse des Rotors über den Umfang angeordneter Hallsensoren gesteuert wird, indem abhängig von laufend erfassten Signalen der Hallsensoren die Kommutierung von in Umfangsrichtung zueinander versetzten, magnetisierbaren Magnetsegmenten erfolgt. Um die Schlupfregelung auch bei Axialwegen des Kupplungsaktors, die einer Winkellage des Rotors zwischen zwei Hallsensoren entspricht, mit guter Auflösung durchführen zu können, werden die Signale der Hallsensoren über den Umfang analog ausgewertet und eine Winkellage des Rotors zwischen zwei Sensoren durch einen Vergleich zweier in Umfangsrichtung benachbarter Signale miteinander ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schlupfregelung einer Reibungskupplung mittels eines von einem elektronisch kommutierten Elektromotor betriebenen Kupplungsaktors, wobei im Kupplungsaktor eine Drehbewegung eines Rotors des Elektromotors in einen axialen, einen vorgegebenen Schlupf einstellenden Vorschub gewandelt wird und die Drehbewegung mittels mehrerer um eine Drehachse des Rotors über den Umfang angeordneter Hallsensoren gesteuert wird, indem abhängig von laufend erfassten Signalen der Hallsensoren die Kommutierung von in Umfangsrichtung zueinander versetzten, magnetisierbaren Magnetsegmenten erfolgt.
Aus der DE 103 23 567 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zu Schlupfsteuerung einer Reibungskupplung bekannt. Hierbei wird ein Kupplungsaktor in der Weise von einem Steuergerät gesteuert, dass an der Reibungskupplung ein vorgegebener Schlupf zwischen der an der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine aufgenommenen Reibungskupplung und einer Reibbeläge tragenden, mit der Getriebeeingangswelle eines Getriebes verbundenen Kupplungsscheibe eingestellt wird, um ein Rupfen während der Einkuppelphase der Reibungskupplung zu vermindern oder zu beseitigen. Dabei wird der Kupplungsaktor von dem Steuergerät bezüglich seines Vorschubs moduliert, wobei der Kupplungsaktor einen elektronisch kommutierten Elektromotor enthält, der auf Basis von über die Drehachse des Rotors angeordneten Hallsensoren und deren Signalen kommutiert und bezüglich seiner Drehzahl gesteuert wird. Ein derartiger elektronisch kommutierter Elektromotor ist beispielsweise aus der DE 10 2006 017 146 A1 bekannt. Hierbei wird die Rotation des Rotors mittels mehrerer über den Umfang verteilter Hallsensoren inkrementell ermittelt, indem die Schaltpunkte der Hallsensoren bei einem Polarisationswechsel von an den Hallsensoren vorbeidrehenden Magneten ermittelt werden. Hieraus werden Winkelinkremente ermittelt, die abhängig von einer vorgegebenen Anzahl von Hallsensoren eine vorgegebene Winkelauflösung liefern. Um einen geglätteten Drehzahlverlauf des Rotors ermitteln zu können, kann zwischen zwei oder mehreren diskret ermittelten inkrementellen Winkelwerten gemittelt werden.
Mittels der aus den Signalen gewonnenen und ausgewerteten Daten wird (zum einen) die Kommutierung des Elektromotors gesteuert. Dabei wird ein Leistungstransistor digital bei für die Kommutierung eines magnetisierbaren Magnetsegments wie Wicklung zutreffenden Bedingungen geschaltet und bei Zutreffen der Bedingungen auf die nächste Wicklung wieder abgeschaltet. Dementsprechend folgt ein abhängig von der Auflösung der Hallsensoren digitalisierter Antrieb des Rotors, der bei größeren Drehzahlen unauffällig ist. Bei der Anwendung einer Schlupfregelung einer Reibungskupplung wird dabei die Reibungskupplung von dem Kupplungsaktor vergleichsweise schnell auf einen vorgegebenen Axialweg gefahren, bei dem eine Regelung des Schlupfs mit vorgegebener Schlupfdrehzahl erfolgt. Der Axialweg der Reibungskupplung und damit des Kupplungsaktors zur Einregelung der Schlupfdrehzahl ist dabei sehr gering, so dass entsprechend geringe Drehwinkel des Rotors erforderlich sind, die in Winkelbereichen der Winkelauflösung der Hallsensoren liegen können, beispielsweise zwischen zwei Schaltpunkten zweier in Umfangsrichtung benachbarter Hallsensoren. Auf diese Weise ist die Einregelung eines Schlupfs lediglich mit vergleichsweise großer Regelbreite und daher erhöhten Schlupfdrehzahlen möglich, was zu einem erhöhten, Verschleiß bedingenden Wärmeeintrag in die Reibungskupplung und einem höheren Verbrauch von Kraftstoff führt.
Es ergibt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Steuerung eines Kupplungsaktors und einen Kupplungsaktor mit höherer Auflösung des Axialwegs vorzuschlagen, um eine Reibungskupplung ökonomisch und weniger verschleißanfällig steuern zu können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Schlupfregelung einer Reibungskupplung mittels eines von einem elektronisch kommutierten Elektromotor betriebenen Kupplungsaktors gelöst, wobei im Kupplungsaktor eine Drehbewegung eines Rotors des Elektromotors in einen axialen, einen vorgegebenen Schlupf einstellenden Axialweg gewandelt wird, die Drehbewegung mittels mehrerer um eine Drehachse des Rotors über den Umfang angeordneter Hallsensoren gesteuert wird, indem abhängig von laufend erfassten Signalen der Hallsensoren die Kommutierung von in Umfangsrichtung zueinander versetzten, magnetisierbaren Magnetsegmenten erfolgt, die Signale der Hallsensoren über den Umfang analog ausgewertet werden und eine Winkellage des Rotors zwischen zwei Sensoren durch einen Vergleich zweier in Umfangsrichtung benachbarter Signale miteinander ermittelt werden.
Es hat sich gezeigt, dass die Hallsensoren an sich kein digitales Verhalten sondern das Sensorsignal ein sinusförmiges Verhalten zeigt, wenn ein mit dem Rotor rotierendes Magnetelement an dem Hallsensor vorbeigeführt wird. Demzufolge kann durch eine Auswertung dieser analogen Signallinien von mehreren über den Umfang angeordneten Hallsensoren ein über eine Umdrehung des Rotors kontinuierliches analoges Signals ermittelt werden, indem die einzelnen Signale der Hallsensoren ausgewertet werden. Insbesondere kann durch Vergleich der Signale zweier in Umfangsrichtung benachbarter Hallsensoren jeder Winkel des Rotors zwischen zwei Hallsensoren im Rahmen der Auflösung des Analogsignals aufgelöst werden. Dies hat zur Folge, dass bei gleicher Anzahl von Hallsensoren die Auflösung soweit steigt, dass kein digitalisiertes Verhalten des Rotors mehr beobachtet wird und/oder die Anzahl der Hallsensoren verringert werden kann, so dass der Aufwand für die Ermittlung der Drehzahl des Rotors vermindert werden kann.
Durch die erhöhte Auflösung der Winkellage des Rotors kann dieser zielgenau auf verschiedene Positionen zwischen den Winkellagen der Hallsensoren eingestellt und gehalten werden. Auf diese Weise steigt auch die axiale Auflösung des Axialwegs, so dass der Schlupf an der Reibungskupplung exakter eingeregelt und auf einer niedrigen Differenzdrehzahl zwischen Reibungskupplung und Kupplungsscheibe gehalten werden kann. Es hat sich gezeigt, dass bei einer mittleren Regelfrequenz von einem Herz, also einem Regelimpuls pro Sekunde Differenzdrehzahlen kleiner 12 U/min eingestellt werden können. Hierdurch kann die Reibungskupplung bei kleinerem Wärmeeintrag gefahren und Kraftstoff infolge des verminderten Wärmeeintrags gespart werden.
Durch die Erfassung der sinusförmigen Signale der Hallsensoren über den Drehwinkel des Rotors können anstatt einer blockweisen Kommutierung des Elektromotors, bei der jeweils eine Phase oder Wicklung eines Elektromotors abhängig von dem zugehörigen digitalen und daher über den Drehwinkel des Rotors inkrementellen Signals des Hallsensors mit einem vorgegebenen konstanten Erregerstrom oder einer zugehörigen Erregerspannung, beispielsweise in Form einer über eine vorgegebene Pulsweite aufgegebenen Spannung, kommutiert wird, die Wicklungen des Elektromotors entsprechend den sinusförmigen Signalen des zugehörigen Hallsensors sinusförmig kommutiert werden. Dies bedeutet, dass über einen vorgegebenen Drehwinkel den Wicklungen ein sinusförmiger Erregerstrom beziehungsweise eine entsprechend sinusförmige Erregerspannung aufgeprägt wird. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel werden dabei die magnetisierbaren Magnetsegmente wie Wicklungen unterschiedlicher Phasen des Elektromotors abhängig von einer aus den analogen Signalen der Hallsensoren ermittelten analogen Steuergröße analog bestromt. Eine analoge Bestromung bedeutet im Gegensatz zu einer digitalen Steuerung keine zeitraubenden Ein- und Ausschaltvorgänge. Dabei können zur analogen Bestromung in gleicher Weise Bauteile einer Leistungselektronik verwendet werden, beispielsweise kontinuierlich beschaltete beziehungsweise gesteuerte Transistoren.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dabei nicht nur die Kommutierung der magnetisierbaren Magnetsegmente abhängig von einer analogen Auswertung der Hallsensoren vorgesehen, um den Rotor beispielsweise in einer Winkellage zwischen zwei Hallsensoren zu halten. Vielmehr kann aus den analogen Signalen der Hallsensoren unter Berücksichtigung der Übersetzung eines Getriebes zur Wandlung der Drehbewegung des Elektromotors in einen Axialweg des Kupplungsaktors dieser quasi analog ermittelt werden. Auf Basis dieses Axialwegs kann die Einregelung des Axialweges mit verbesserter Auflösung erfolgen.
Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Kupplungsaktor für eine Reibungskupplung mit einem elektrisch kommutierten Elektromotor mit einem Rotor und einem die Drehzahl des Rotors in einen axialen Vorschub wandelnden Getriebe und einer Leistungselektronik zur Steuerung und Bestromung des Elektromotors unter Anwendung des in den Anmeldungsunterlagen beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst.
Die Erfindung wird anhand der 1 und 2 näher erläutert. Diese zeigen:
1 ein Diagramm mit der Abwicklung von Sensorsignalen dreier Hallsensoren über den Rotorwinkel
und
2 ein Diagramm einer Winkellage des Rotors durch analoge Bestromung zweier Wicklungen des Rotors.
1 zeigt die analog erfassten Signalverläufe 1, 2, 3 dreier in Umfangsrichtung des Rotors gleichmäßig nebeneinander angeordneter Hallsensoren über den Verdrehwinkel α des Rotors eines Elektromotors. Die Signalverläufe 1, 2, 3 sind sinusförmig und überlappen einander, so dass jedem Verdrehwinkel α des Rotors die Signale zweier Hallsensoren zur Verfügung stehen und durch die Information, welche Sensoren mit welchem Signalanteil beteiligt sind, diskret und mit hoher Auflösung ermittelt werden kann. Die Erfindung wird nicht dadurch eingeschränkt, dass die analog in den Sensoren auftretenden Signalverläufe 1, 2, 3 in einem Schritt der Signalverarbeitung in einer Sensorvorortelektronik oder in einer Steuereinheit beispielsweise mittels eines A/D-Wandlers digitalisiert werden.
2 zeigt die auf Basis der Signalverläufe 1, 2, 3 der 1 erfolgende Kommutierung der magnetisierbaren Magnetelemente wie Wicklungen oder Spulen über den Verdrehwinkel α des Rotors in Form der Kommutierungsstromverläufe 4, 5, 6. Die Wicklungen werden dabei in zeitlicher Abfolge kommutiert und bewirken eine Verdrehung des Rotors in Richtung der Pfeile 7, 8. Soll der Rotor auf eine Winkelposition α₀ eingestellt wie eingeregelt werden, die sich zwischen zwei Kommutierungsstrommaxima und gegebenenfalls zwischen zwei Winkellagen der Sensoren befindet, wird der Rotor durch Einspeisen und Halten der bei der Winkelposition α₀ anliegenden Stromanteile i₆, i₅ durch den mit dem Pfeil 9 angedeuteten gegengerichteten Anteil des Kommutierungsstroms an dieser Winkelposition α₀ gehalten. Durch die gegenüber digitalen Kommutierungsverläufen, die an den Maxima der Signalverläufe 1, 2, 3 der 1 jeweils die Wicklungen digital bestromen und danach den Kommutierungsstrom wieder abschalten, verbesserte analoge Kommutierung und analoge Erfassung der Sensorsignale wird eine wesentlich bessere Winkelauflösung des Verdrehwinkels α erzielt, da bei der analogen Erfassung der Signalverläufe 1, 2, 3 (1) und der analogen Bestromung der Wicklungen zu deren Kommutierung die Auflösung des Verdrehwinkels α lediglich von der Auflösung der Analogsignale beziehungsweise der Analogströme abhängt.
Bezugszeichenliste

1: Signalverlauf
2: Signalverlauf
3: Signalverlauf
4: Kommutierungsstromverlauf
5: Kommutierungsstromverlauf
6: Kommutierungsstromverlauf
7: Pfeil
8: Pfeil
9: Pfeil
α: Verdrehwinkel
α0: Winkelposition
i5: Stromanteil
i6: Stromanteil

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

DE 10323567 A1 [0002]
DE 102006017146 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Schlupfregelung einer Reibungskupplung mittels eines von einem elektronisch kommutierten Elektromotor betriebenen Kupplungsaktors, wobei im Kupplungsaktor eine Drehbewegung eines Rotors des Elektromotors in einen axialen, einen vorgegebenen Schlupf einstellenden Axialweg gewandelt wird und die Drehbewegung mittels mehrerer um eine Drehachse des Rotors über den Umfang angeordneter Hallsensoren gesteuert wird, indem abhängig von laufend erfassten Signalen der Hallsensoren die Kommutierung von in Umfangsrichtung zueinander versetzten, magnetisierbaren Magnetsegmenten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Hallsensoren über den Umfang analog ausgewertet werden und eine Winkellage des Rotors zwischen zwei Sensoren durch einen Vergleich zweier in Umfangsrichtung benachbarter Signale miteinander ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Magnetsegmente abhängig von einer aus den analogen Signalen der Hallsensoren ermittelten analogen Steuergröße analog bestromt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der magnetisierbaren Magnetsegmente mittels kontinuierlich beschalteter Transistoren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der Hallsensoren unter Berücksichtigung der Übersetzung eines Getriebes zur Wandlung der Drehbewegung des Elektromotors in einen Axialweg der Axialweg ermittelt wird.
Kupplungsaktor für eine Reibungskupplung mit einem elektrisch kommutierten Elektromotor mit einem Rotor und einem die Drehzahl des Rotors in einen axialen Vorschub wandelnden Getriebe und einer Leistungselektronik zur Steuerung und Bestromung des Elektromotors nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4.