DE102012204147A1

DE102012204147A1 - Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors

Info

Publication number: DE102012204147A1
Application number: DE201210204147
Authority: DE
Inventors: Martin Rapp; Martin Zimmermann; Matthias Gramann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2012-10-11
Also published as: DE112012001584A5; WO2012136182A2; WO2012136182A3; CN103493358B; CN103493358A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors mit mehreren Phasen in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem hydraulischen Betätigungssystem einer Reibungskupplung, mit einem Rotor mit einem dessen Drehwinkel überwachenden absolut messenden Rotorlagesensor und einer Elektronik zur Kommutierung des Elektromotors anhand von erfassten Daten des Drehwinkels des Rotorlagesensors. Um über Lebensdauer eines Antriebssystems einen gleichbleibenden Wirkungsgrad zu erhalten und sicherheitskritische Betriebszustände auszuschließen, wird über Lebensdauer des Elektromotors regelmäßig eine Plausibilisierung durch Einstellung einer vorgegebenen Istposition der Rotorlage bei nicht antreibendem Rotor und Vergleich dieser mit einer von dem Rotorlagesensor aktuell ermittelten Prüfposition gegenüber einem vorgegebenen Grenzwert durchgeführt, indem die Phasen des Elektromotors über ein vorgegebenes Zeitintervall gleichzeitig bestromt werden und die sich einstellende Istposition des Rotors mittels des Rotorlagesensors ermittelt und mit der vom Rotorlagesensor ermittelten Prüfposition verglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors mit mehreren Phasen in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem hydraulischen Betätigungssystem einer Reibungskupplung, mit einem Rotor mit einem dessen Drehwinkel überwachenden absolut messenden Rotorlagesensor und einer Elektronik zur Kommutierung des Elektromotors anhand von erfassten Daten des Drehwinkels des Rotorlagesensors.
In Kraftfahrzeugen eingesetzte Antriebssysteme setzen hierbei beispielsweise eine Drehbewegung eines Elektromotors in eine Linearbewegung um. Um Bauraum von Elektromotoren verringern und spezielle Ansteuerungen des Rotors zu ermöglichen, wird hierbei auf bürstenlose Gleichstrommotoren zurückgegriffen, die eine elektronische Kommutierung erlauben. Die Kommutierung von mehreren Polpaaren erfolgt dabei abhängig von der Rotorstellung wie Drehwinkel gegenüber dem Stator des Elektromotors mittels eines Rotorlagesensors, der den Drehwinkel des Rotors gegenüber dem Stator ermittelt und auf die Elektronik zur Steuerung der Kommutierung überträgt.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 026 543.8 ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor bekannt, bei dem die Drehbewegung des Rotors mittels eines absolut messenden Rotorlagesensors ermittelt wird. Hierbei wird ein zwischen einer tatsächlich von dem Rotorlagensensor gemessenen Position und einer angenommenen Position des Rotors bestehender Winkeloffset am Bandende der Herstellung des Antriebssystems ermittelt und von der Elektronik zur Kommutierung des Elektromotors kompensiert. Hierbei werden die Phasen des Elektromotors über die Zeit unterschiedlich bestromt, so dass sich mehrere, der Bestromung entsprechende Verdrehwinkel des Rotors einstellen, wobei die tatsächliche Rotorlage anhand des Rotorlagesensors bestimmt wird.
Eine derartige Vorgehensweise ist bei in das Kraftfahrzeug eingebauten Antriebssystemen zumeist nicht möglich, da hier eine Betätigung der von dem betreffenden Antriebssystem verlagerten Elemente nicht erwünscht ist. Beispielsweise würde bei einem hydraulischen Betätigungssystem einer Reibungskupplung diese in unerwünschter Weise betätigt, als je nach deren Auslegung als zwangsweise geschlossene oder geöffnete Reibungskupplung geschlossen oder geöffnet. Die Herbeiführung einer Betätigung beider Arten von Reibungskupplungen kann dabei zu einem sicherheitskritischen Zustand führen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors vorzuschlagen, in dem eine Plausibilisierung der Zuordnung der vom Rotorlagesensor ermittelten Rotorposition gegenüber einer tatsächlichen Position des Rotors in einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs ohne Antriebswirkung des Elektromotors ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors mit mehreren Phasen in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem hydraulischen Betätigungssystem einer Reibungskupplung, mit einem Rotor mit einem dessen Drehwinkel überwachenden absolut messenden Rotorlagesensor und einer Elektronik zur Kommutierung des Elektromotors anhand von erfassten Daten des Drehwinkels des Rotorlagesensors gelöst, wobei über Lebensdauer des Elektromotors regelmäßig eine Plausibilisierung durch Einstellung einer vorgegebenen Istposition der Rotorlage bei nicht antreibendem Rotor mittels eines Vergleichs dieser gegenüber einem vorgegebenen Grenzwert erfolgt, indem die Phasen des Elektromotors über ein vorgegebenes Zeitintervall gleichzeitig bestromt werden und die sich einstellende Istposition des Rotors mittels des Rotorlagesensors ermittelt und mit der vom Rotorlagesensor ermittelten Prüfposition verglichen wird. Durch die gleichzeitige, quasi stationäre Bestromung erfolgt die Einstellung des Rotors aufgrund der Ausrichtung der durch die Bestromung der Spulen der Phasen festgelegten Polpaare ohne praktische Verdrehung des Rotors. Vielmehr werden die aktuell im magnetischen Feld angeordneten Polpaare lediglich über einen kleinen Verdrehwinkel, der abhängig von der Anzahl der Polpaare und der Anzahl der Phasen ist, exakt ausgerichtet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens mit einem Elektromotor mit drei Phasen kann beispielsweise eine Phase mit einem vorgegebenen Strom in eine erste Flussrichtung und die anderen beiden Phasen mit gegenüber diesem verringerten Strömen in umgekehrte Stromrichtung bestromt werden. Hierdurch richten sich die Polpaare auf das von der Phase mit hohem Strom erzeugte Magnetfeld aus und werden durch die von den Strömen der anderen beiden Phasen erzeugten, gegengerichteten Magnetfeldern stabilisiert. Beispielsweise verdreht sich bei Verwendung von drei Phasen und 5 Polpaaren der Rotor während der vorgeschlagenen Bestromung um maximal 12° bis 13° und richtet sich auf ca. 1° genau in dem entstehenden Magnetfeld aus.
Die Bewertung einer Abweichung zwischen Ist- und Prüfposition erfolgt anhand eines Vergleichs dieser. Der Vergleich kann beispielsweise durch Differenz- oder Quotientenbildung erfolgen und kann eine Betragsbildung enthalten. Abhängig von dem Vergleich wird ein entsprechender Grenzwert vorgegeben. Im Normalfall unterschreitet der gebildete Vergleich den Grenzwert und keine weiteren Maßnahmen werden ergriffen. Wird der Grenzwert überschritten kann ein mehrstufiges Vertrauensmaß der Istposition beziehungsweise des werkseitig kompensierten Winkeloffsets zurückgestuft werden. Abhängig vom Maß des überschrittenen Grenzwerts und einem entsprechend abgestuften Vertrauensmaß können dabei geringfügige Verschlechterungen des Wirkungsgrads der Kommutierung hingenommen werden, eine Überprüfung und/oder Neujustierung beispielsweise durch Ausgabe einer entsprechenden Fahrerwarnung und/oder eines Eintrags in einen Fehlerspeicher sofort oder beim nächsten Werkstattbesuch angestoßen werden. Wird beispielsweise ein Magnet eines Polpaares und/oder des absoluten Rotorlagesensors verlagert, weil sich dieser beispielsweise gelöst oder sich der die Polpaare aufnehmende Käfig gegenüber dem Rotor gelöst oder verschoben hat, kann die Kommutierung soweit gestört sein, dass der Rotor unter Umständen in die andere Drehrichtung verdreht wird. Dies hat eine entsprechend hohe Abweichung der Prüfposition von der Istposition zur Folge, die zu einer großen Überschreitung des Grenzwerts beziehungsweise zu einer hohen Abstufung des Vertrauensmaßes und daher zur Stilllegung des Antriebssystems führen kann. Wird beispielsweise in einem Antriebsstrang mit Doppelkupplungsgetriebe und zwei Reibungskupplungen mit jeweils einem hydraulischen Betätigungssystem eines der beiden Betätigungssysteme infolge eines herabgestuften Vertrauensmaßes stillgelegt, würde infolge dieser Stilllegung das Kraftfahrzeug nur noch mit dem Teilgetriebe mit dem funktionsfähigen Betätigungssystem betrieben. Hierbei könnte über eine entsprechende Signalverbindung das gesamte Teilgetriebe des stillgelegten Betätigungssystems stillgelegt und die Betriebsart, beispielsweise veränderte Schaltpunkte und Schaltstrategien des kompletten Doppelkupplungsgetriebes an die geänderten Bedingungen mit nur einem funktionsfähigen Teilgetriebe angepasst werden.
Die Plausibilisierung der Istposition erfolgt in vorteilhafter Weise in einem Betriebszustand, in dem das Antriebssystem nicht aktiv ist beziehungsweise in der Zeit der Plausibilisierung nicht aktiviert wird. Beispielsweise kann diese zu Beginn eines Betriebs des Kraftfahrzeugs, wenn beispielsweise ein Zündschlüssel oder Startschalter die Zündung-Ein-Position geschaltet, eine Fahrzeugtür geöffnet, ein Sitzsensor am Fahrersitz aktiviert oder dergleichen durchgeführt wird, erfolgt.
Gemäß dem erfinderischen Gedanken ist vorgesehen, dass das Antriebssystem während der Plausibilisierung im Wesentlichen lastfrei ist, um den Rotor bei Anlegen der entsprechenden Phasenströme nicht an einer Ausrichtung zu hindern. Hierzu kann das Antriebssystem vor Beendigung des Betriebs in einen vorgegebenen lastfreien Zustand überführt werden. Beispielsweise kann bei einem hydraulischen Betätigungssystem vor Beendigung des Betriebs ein hydraulischer Kreislauf in einen drucklosen Zustand überführt und bei Beginn des Betriebs der drucklose Betrieb zumindest während der Plausibilisierung beibehalten werden. Der drucklose Betrieb wird dabei bevorzugt durch Anfahren einer Schnüffelposition eingestellt, bei dem ein Druckausgleich der hydraulischen Strecke mit einem Druckausgleichsbehälter gegeben ist. Es hat sich dabei gezeigt, dass eine Drehwinkelveränderung der Rotorwelle bei Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens eine unerhebliche Verlagerung des Druckkolbens des hydraulischen Betätigungssystems bewirkt und die Schnüffelöffnung hierbei nicht vollständig geschlossen wird, so dass abgesehen von Systemreibung keine Last an der Rotorwelle anliegt.
Die Erfindung wird anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Antriebssystems in Form eines hydraulischen Betätigungssystems für eine Reibungskupplung
und
2 eine Prinzipdarstellung einer Kommutierung eines Elektromotors während des Verfahrens zur Plausibilisierung einer Istposition des Rotors.
In 1 ist das Antriebssystem 1 in Form des hydraulischen Betätigungssystems 1a für eine Reibungskupplung 7 dargestellt, wie es beispielsweise in zweifacher Ausführung für jeweils eine Reibungskupplung eines Doppelkupplungsgetriebes mit zwei Teilgetrieben in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Das Betätigungssystem 1a enthält ein Gehäuse 2, in dem ein Druckkolben 3 von dem Rotor 10 des elektronisch kommutierten Elektromotors 4 unter Zwischenschaltung eines Getriebes 9 zur Wandlung der Drehbewegung des Rotors 10 in eine Axialbewegung, beispielsweise eines Planetenwälzgetriebes, axial verlagert wird.
Der elektronisch kommutierte Elektromotor 4 wird vom Steuergerät 5 gesteuert, wobei dieser in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bereits die Elektronik 12 als Vorortelektronik zu dessen Kommutierung aufgrund der von dem absoluten Rotorlagesensor 11 gelieferten Drehwinkel enthält und das Steuergerät lediglich die Lageregelung des Druckkolbens 3 steuert.
Über die Druckleitung 6 wird mittels des vom Druckkolben 3 während seiner Axialverlagerung im Gehäuse erzeugten Drucks der Nehmerzylinder 13 beaufschlagt, dessen Kolben die Anpressplatte der Reibungskupplung 7 betätigt. Abhängig vom Design der Reibungskupplung 7 wird unter Druckaufbau durch den Druckkolben 3 die Reibungskupplung 7 geöffnet oder bevorzugt geschlossen. In der zurückgezogenen Position des Druckkolbens 3 gibt dieser die Schnüffelöffnung 8 frei, so dass ein Druckausgleich zwischen dem durch das Gehäuse 2 und den Druckkolben 3 sowie die Druckleitung 6 und den Nehmerzylinder 13 gebildete Druckraum und einem nicht dargestellten Druckausgleichsbehälter ermöglicht wird.
Der elektronisch kommutierte Elektromotor verfügt über drei von einer Strom in drei Phasen bereitstellenden Leistungselektronik beaufschlagte Spulenkörper, die nacheinander mittels der Phasen bestromt werden, so dass ein magnetisches Wechselfeld kommutiert wird, das die Polpaare am Rotor 10 abstößt und damit eine Drehung des Rotors 10 erzwingt. Dabei wird werksseitig eine angenommene, von den Phasenlagen bestimmte Position des Rotors 10 mit einer tatsächlichen, von dem Rotorlagesensor 11 ermittelten Istposition festgestellt und ein gegebenenfalls vorhandener Winkeloffset von der Vorortelektronik kompensiert.
Bevorzugt vor jeder Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs mit dem Betätigungssystem 1a wird beispielsweise bei Aktivierung des Zündung-Ein-Signals die Istposition plausibilisiert, um bei gegebenenfalls dejustierten Magneten eines oder mehrerer Polpaare schlechte Wirkungsgrade der Kommutierung oder im Extremfall ein Drehen des Rotors 10 des Elektromotors 4 in die falsche Richtung zu vermeiden.
2 zeigt in schematischer Darstellung anhand eines Polpaars 14 die Plausibilisierung der dargestellten Istposition bei stehendem Elektromotor. Hierbei werden an die ortsfest im Stator angeordneten Stromspulen gleichzeitig die Phasen U, V, W angelegt, so dass sich ein stationäres Magnetfeld in Richtung des Zeigers I_Res einstellt, an dem sich das Polpaar 14 ausrichtet und dadurch den Rotor exakt auf die vorgegebene Istposition positioniert. Diese Istposition wird mit einer Prüfposition verglichen, die durch den Rotorlagesensor erfasst wird. Unter Berücksichtigung eines gegebenenfalls bereits werkseitig ermittelten Winkeloffsets werden Istposition und Prüfposition miteinander verglichen und auf Überschreiten eines Grenzwerts überprüft. Ist der Grenzwert überschritten, kann von einer Verlagerung eines der Magneten des Polpaars 14 ausgegangen werden. Entsprechend kann die schematische Darstellung auf mehrere Polpaare des Rotors angewendet werden. Beispielsweise können an den Spulenkörpern die Phase U als negativer Strom im Bereich des Maximalstroms oder Nennstroms (–100%) und die Phasen V, W als anteilige positive Ströme (+50%) angelegt werden. Die gleichzeitige Bestromung der Phasen U, V, W über ein vorgegebenes Zeitintervall kann beispielsweise kleiner als 100 ms, bevorzugt im Bereich von 20 ms aufrechterhalten werden. Innerhalb dieses Zeitintervalls ist eine ausreichende Ausrichtung des Rotors erzielbar und eine Ermittlung der Prüfposition möglich, so dass die Plausibilisierung praktisch keinen für den Fahrer spürbaren Zeitverzug beim Start des Kraftfahrzeugs nach sich zieht.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
1a: Betätigungssystem
2: Gehäuse
3: Druckkolben
4: Elektromotor
5: Steuergerät
6: Druckleitung
7: Reibungskupplung
8: Schnüffelöffnung
9: Getriebe
10: Rotor
11: Rotorlagesensor
12: Elektronik
13: Nehmerzylinder
14: Polpaar
I_Res: Zeiger
U: Phase
V: Phase
W: Phase

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 102010026543 [0003]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors (4) mit mehreren Phasen (U, V, W) in einem Antriebssystem (1) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem hydraulischen Betätigungssystem (1a) einer Reibungskupplung (7), mit einem Rotor (10) mit einem dessen Drehwinkel überwachenden absolut messenden Rotorlagesensor (11) und einer Elektronik (12) zur Kommutierung des Elektromotors (4) anhand von erfassten Daten des Drehwinkels des Rotorlagesensors (11), dadurch gekennzeichnet, dass über Lebensdauer des Elektromotors (4) regelmäßig eine Plausibilisierung durch Einstellung einer vorgegebenen Istposition der Rotorlage bei nicht antreibendem Rotor (10) und Vergleich dieser mit einer von dem Rotorlagesensor (11) aktuell ermittelten Prüfposition und ein dieser mit einem vorgegebenen Grenzwert erfolgt, indem die Phasen (U, V, W) des Elektromotors (4) über ein vorgegebenes Zeitintervall gleichzeitig bestromt werden und die sich einstellende Istposition des Rotors (10) mittels des Rotorlagesensors (11) ermittelt und mit der vom Rotorlagesensor (11) ermittelten Prüfposition verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dreiphasigen Elektromotor (4) eine Phase (U) mit einem vorgegebenen Strom in eine erste Flussrichtung und die anderen beiden Phasen (V, W) mit gegenüber diesem verringerten Strömen in umgekehrte Stromrichtung bestromt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einer Höhe eines überschrittenen Grenzwerts ein Vertrauensmaß für die Istposition zurückgestuft wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei geringer Überschreitung des Grenzwerts das Antriebssystem (1) einer Überprüfung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei großer Überschreitung das Antriebssystem (1) stillgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plausibilisierung zu Beginn eines Betriebs des Kraftfahrzeugs erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hydraulischen Betätigungssystem (1a) vor Beendigung des Betriebs ein hydraulischer Druckraum in einen drucklosen Zustand überführt und bei Beginn des Betriebs der drucklose Zustand zumindest während der Plausibilisierung beibehalten wird.