DE102014206048A1

DE102014206048A1 - Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102014206048A1
Application number: DE102014206048.6A
Authority: DE
Inventors: Carsten Mohr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2014-10-30
Also published as: WO2014177144A2; WO2014177144A3; DE112014002212A5

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors in einem System, beispielsweise einem Automobil, wird aus einer frequenzabhängigen Responsefunktion des Systems ein Korrektursignal zur Änderung des Betriebsgeräusches des Systems bei zumindest einer vorgebbaren Frequenz ermittelt, welches zur Steuerung des Elektromotors eingesetzt wird. Das Verfahren erlaubt eine Steuerung eines Elektromotors, bei der eine vorgebbare Sollcharakteristik des Systems unter Berücksichtigung der Wirkwege im System bei der Schallübertragung beispielsweise über Körperschall durch das System und/oder über Luftschall erreicht werden kann. Bei der Responsefunktion handelt es sich insbesondere um die Frequency Response Funktion, die das Übertragungsverhalten des Systems darstellt. Insbesondere wird diese Responsefunktion Betriebspunktabhängig ermittelt. Durch diese Verfahrensführung können Störgeräusche reduziert und/oder bestimmte Sollcharakteristiken des Systems aufgeprägt werden. Das Korrektursignal kann vorab einmal pro Betriebspunkt ermittelt werden (passives Verfahren) und/oder ständig oder zeitweise im Betrieb ermittelt werden (aktives Verfahren).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors, dass der akustischen Optimierung von Elektromotoren insbesondere für Kraftfahrzeuge dient.
Obwohl Elektromotoren, die als Traktionsmaschinen eingesetzt werden, grundsätzlich betrachtet eine geringere Geräuschemission aufweisen als leistungsmäßig vergleichbare Verbrennungsmotoren, führt das spezifische Geräuschverhalten von Elektromotoren in vielen Anwendungen – insbesondere auch im Bereich der Elektromobilität – zu Komfortbeeinträchtigungen bis hin zu Akzeptanzproblemen. Der Grund hierfür liegt vor allem in der von den Verbrennungsmotoren völlig abweichenden Geräuschcharakteristik der Elektromotoren. Exemplarisch sei hier auf den unstetigen Pegelverlauf und das sehr tonale, ordnungsspezifische Heulen der Elektromotoren verwiesen, was durch die erheblich größere Drehzahlspanne der Elektromotoren (oft größer 10.000 U/min) verbunden mit den hohen Ordnungszahlen noch verstärkt wird. Die Geräuschcharakteristik von bekannten Elektromotoren ist für PKW-Fahrer sehr ungewohnt und stellt eine große Hürde bezüglich der Akzeptanz von Elektrofahrzeugen dar. Die Optimierung des Geräuschverhaltens von Elektrofahrzeugen ist daher eine wichtige Aufgabe der Fahrzeughersteller beziehungsweise der Zulieferer und gilt als große Herausforderung.
Die Ursache der relativ hochfrequenten und tonalen Geräuschcharakteristik von Elektromotoren hängt in erster Linie mit der konzeptionell bedingten Änderung des magnetischen Flusses zusammen, was bei Permanentmagnetmotoren in Abhängigkeit von der Anzahl an Polen und Wicklungen zu markanten Ordnungen führt. Diese Änderungen des magnetischen Flusses erzeugen überwiegend radiale, aber auch axiale und tangentiale Wechselkräfte sowohl auf die Motorkomponenten (Rotor, Stator) als auch auf das Motorgehäuse beziehungsweise die angekoppelten Strukturen. Die Wirkkette ausgehend von der magnetischen Flussänderung, über die Wechselkraftanregung der Motorkomponenten und deren strukturdynamisches Schwingverhalten (zum Beispiel auch Rotordynamik) führt zur Schwingungsanregung des Motorgehäuses. Ganz wesentlich hierbei ist die Kopplung der elektromagnetischen Anregung mit der Strukturdynamik. Dies bedeutet, dass eine elektromagnetische Anregung eine Bewegung zum Beispiel des Rotors bewirkt, diese Rotorbewegung ihrerseits aber wieder rückwirkt auf die elektromagnetische Anregung. Dieser Umstand macht eine Betrachtung eines solchen Gesamtsystems mit den Mitteln der Simulation extrem komplex und wird bis dato noch von keinem der kommerziell angebotenen Simulationswerkzeuge berücksichtigt.
Die Strukturdynamik des Gehäuses ihrerseits beeinflusst maßgeblich sowohl den vom Motor abgestrahlten Luftschall als auch die in angekoppelte Strukturen eingeleitete Körperschallschwingung, die an nachfolgenden Stellen des Ausbreitungspfades entweder ebenfalls zu Luftschall-Phänomenen oder zu Schwingungs-Phänomenen führen können. Auch deshalb kommt der Strukturdynamik sowohl von Motorkomponenten als auch von Lagerung und Gehäuse bezüglich des Geräuschverhaltens eine große Bedeutung zu. Da eine Betrachtung dieses stark gekoppelten Gesamtsystems auf Simulationsebene bis dato nicht möglich ist, besitzt die experimentelle Untersuchung und Optimierung des Gesamtsystems einen hohen Stellenwert.
Auch das Fehlen der akustischen Rückmeldung in Bezug auf den Lastzustand des Motors im Betrieb – Zug- und Schubbetrieb klingen nahezu identisch, nur bei Nulllast verringert sich das emittierte Geräusch wahrnehmbar – wird als ungewohnt kritisiert. Denn während das Geräusch eines Verbrennungsmotors eine starke Abhängigkeit des Gesamtpegels von Last und Drehzahl besitzt, weist der Pegel eines Elektromotors einen eher unstetigen Verlauf über Last und Drehzahl auf.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors anzugeben, mit welchem gezielt die akustische Charakteristik des Elektromotors angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors in einem System, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, wird aus einer frequenzabhängigen Responsefunktion des Systems ein Korrektursignal zur Änderung des Betriebsgeräusches des Systems bei zumindest einer vorgebbaren Frequenz ermittelt, welches zur Steuerung des Elektromotors eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt insbesondere für bestimmte Betriebspunkte des Elektromotors. Bevorzugt handelt es sich bei der mindestens einen vorgebbaren Frequenz um die Frequenz eines Störgeräusches oder um eine Frequenz einer zu ändernden akustischen Charakteristik des Systems. Insbesondere soll durch ein passives Verfahren, d.h. durch eine festgelegte Vorsteuerung das gewünschte, veränderte oder verbesserte Geräuschverhalten des Elektromotors erreicht werden. Im Gegensatz oder in Ergänzung dazu werden bei aktiven Verfahren adaptive Regelungen oder die Rückkopplung eines Istwerts verwendet, um durch einen Vergleich mit einem Sollwert die erforderliche Maßnahme zur Geräuschbeeinflussung abzuleiten (eine so genannte Feedback-Regelung).
Durch eine transferpfadspezifische Störgeräuschunterdrückung oder Geräuschmodifikation kann beim erfindungsgemäßen Verfahren dieses Geräuschverhalten des Elektromotors gezielt verändert werden, ohne dabei Einbußen bei Wirkungsgrad, Gewicht, Funktionalität oder Kosten in Kauf nehmen zu müssen. Hierfür wird bevorzugt der akustischen Wirkkette des zu eliminierenden Störgeräuschs gefolgt, um die relevanten Einflussgrößen „Erregerkräfte“, „Körperschall-Weiterleitung / Übertragungseigenschaft“ und „Abstrahlverhalten“ miteinander in Zusammenhang und resultierend zu einer vorgegebenen akustischen Charakteristik des Elektromotors im Betrieb zusammenführen zu können.
Unter dem Folgen der akustischen Wirkkette wird die Berücksichtigung von Wechselwirkungen verschiedener Wirkgrößen im Elektromotor, die zu einer Verstärkung oder Verringerung von Schwingungen bestimmter Frequenzen führen können, verstanden. Bevorzugt wird dabei eine experimentelle Berücksichtigung der Wirkkette, wobei eine Simulation der Wirkkette erfindungsgemäß auch möglich ist. Unter dem System kann hier einerseits das gesamte Kraftfahrzeug, andererseits aber auch der Elektromotor mit den in ihm verbauten (Stator, Rotor, etc.) und/oder ihm zugeordneten Komponenten (Gehäuse, Getriebe, etc.) verstanden werden.
Die Berücksichtigung der Wirkkette soll im Folgenden beispielhaft erklärt werden. Als Erregerkräfte werden hier in erster Linie die Kräfte aus der magnetischen Flussänderung betrachtet, die hauptsächlich in radialer Richtung, aber auch in tangentialer und vereinzelt auch in axialer Richtung zu Kraftschwankungen führen. Aber auch andere Anregungskräfte, die beispielsweise aus mechanischen Quellen stammend – wie beispielsweise durch die Rotordynamik hervorgerufen – können auf diese Weise mit einbezogen und sogar deren Wechselwirkungen mit den Magnetkräften berücksichtigt werden. Aeroakustische Anregungen beispielsweise aufgrund von Ventilationsströmungen könnten ebenfalls in Betracht gezogen werden.
Im weiteren Verlauf der Wirkkette werden die Übertragungseigenschaft und das Abstrahlverhalten vor allem durch das strukturdynamische Verhalten der Komponenten, des Gehäuses beziehungsweise des beteiligten Gehäuseverbundes experimentell bestimmt. Das bedeutet, dass der letztendliche und für die Geräuschcharakteristik des Elektromotors im System relevante „spektrale Fingerabdruck“ des Geräusches des Elektromotors im System also erheblich durch die Komponenten des Systems und des Elektromotors beeinflusst wird.
Dies unterscheidet sich bis hierher nicht wesentlich vom akustischen Verhalten eines von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs. Ein grundsätzlicher Unterschied im Hinblick auf die Entstehung des Motorengeräuschs zwischen Verbrennungskraftmaschinen und Elektromotoren liegt jedoch in der inneren Anregung und ist für die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung wesentlich. Liefert bei der Verbrennungskraftmaschine die Zündung samt einsetzender Verbrennung die eigentliche akustische Anregung, was angesichts der Überbrückung vieler Spiele quasi zu einer Stoß-Anregung mit einem fast ebenen Frequenzspektrum führt (d.h. über einen weiten Frequenzbereich werden fast alle Frequenzen gleichermaßen angeregt), so stammt die maßgebliche Anregung beim Elektromotor aus der Kraftanregung des magnetischen Flusses und ist daher extrem tonal ausgerichtet. Entsprechend werden einzelne Frequenzen inklusive entsprechender Höherharmonischen (meist im höheren Frequenzbereich einiger kHz angesiedelt) diskret angeregt.
Genau hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren an, da man bei der ausschließlich frequenzdiskreten („tonalen“) Anregung über eine spektral sehr feine Modifikation (im Extremfall monofrequente Änderung oder auch schmalbandige Änderungen) bedeutend Einfluss auf das Geräuschbild nehmen kann. Eine derartige Geräuschbeeinflussung durch Einflussnahme auf eine einzelne Frequenz in der Anregung wäre bei der Stoßanregung in der Verbrennungskraftmaschine dagegen nicht durchführbar. Dies bedeutet im Falle eines Elektromotors, dass aufgrund der frequenzdiskreten Anregung die im Geräuschbild akustisch dominierenden Ordnungen meist nicht diejenigen sind, welche die größten Amplituden in ihren anregenden Kräften aufweisen. Vielmehr spielen Aspekte wie Phasenlagen und Schwingungsmode des Gehäuses eine Rolle. Aus Versuchen ist beispielsweise bekannt, dass eine in der Kraftanregung relativ unbedeutende 60. Motorordnung zu um 10–15 dB höherer Luftschallabstrahlung führte als die im Vergleich zu der in Bezug auf die Anregungskraft dominierende 10. Ordnung und 30. Ordnung. Dieser Umstand kann dadurch erklärt werden, dass für diese kraftanregungsseitig eher unbedeutende 60. Motorordnung die Phasenlage der Flussänderungen und die angeregte Schwingungsmode des Motor-Getriebe-Verbundes diese Dominanz überhaupt erst ermöglichten.
Hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren an. Erfindungsgemäß kann man eine akustisch relevante (beispielsweise vom Benutzer als störend empfundene) Ordnung im Geräuschverhalten des Elektromotors im System, beispielsweise im Kraftfahrzeug oder im Motor-Getriebe-Verbund, dadurch reduzieren, dass man unter Berücksichtigung des rückwärtigen Transferpfades bis hin zur Elektromotor-Speisung die zur Entstehung der entsprechenden Ordnung beitragenden Effekte berücksichtigt. Durch diese inverse transferpfadspezifische Kompensation macht man sich die – die entsprechenden Geräusche erzeugenden – Resonanzeffekte und die bis dahin oft noch gar nicht vollständig verstandenen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Effekten zunutze, weil diese anregungsseitig eher unauffälligen akustischen Ordnungen nur minimale Veränderungen in der Magnetflusserzeugung erfordern.
Es ist dabei völlig unerheblich, ob die resonante Überhöhung im Störgeräusch ihre Ursache in der Magnetkraft, in der Rotordynamik oder im sonstigen Strukturverhalten hat, denn durch deren Wechselwirkungen (z.B. Luftspaltänderungen aufgrund von Rotorschwingungen, die wiederum Magnetkraftänderungen bewirken und deshalb wieder die Rotorschwingung beeinflussen) wird durch die kompensatorische Beeinflussung der Steuerung des Elektromotors durch das Korrektursignal der gesamte Wirkmechanismus berücksichtigt.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensführung wird hier zunächst eine zu ändernde Frequenz, beispielsweise eine Störfrequenz, ermittelt. Dies erfolgt durch eine Messung des entsprechenden Geräusches und eine Fourier-Transformation, beispielsweise eine Fast-Fourier-Transformation, dieses Signals. Das so erhaltene Spektrum, ein (mathematisch) komplexes Spektrum aus einem Amplitudenspektrum und einem Phasenspektrum, erlaubt die Bestimmung der zu ändernden Frequenz, beispielsweise einer Störfrequenz. Dann wird ein mögliches Zielgeräusch, beziehungsweise dessen Spektrum, festgestellt, in dem beispielsweise labormäßig das Spektrum so lange verändert oder synthetisiert wird, bis das Zielgeräusch erreicht wird. Dann erfolgt eine Messung der Steuerspannung des Elektromotors, beispielsweise am Frequenz-Umrichter des Elektromotors. Dann wird eine Frequency-Response-Funktionsanalyse zwischen der Motoransteuerung, dass heißt der Steuerspannung, und dem entsprechenden Ist-Geräusch des entsprechenden Systems durchgeführt. Basierend auf dieser Frequency Response Funktion des Systems kann der Signalanteil bestimmt werden, der für die Amplitude bei der zu ändernden Frequenz verantwortlich ist. Durch eine Invertierung der Phase dieses oder dieser Signalanteile wird eine Korrekturgröße im Frequenz-Raum erhalten, aus der durch eine Fourier-Transformation das Korrektursignal im Zeitraum erhalten wird. Dieses quasi vorab im Labor ermittelte Korrektursignal wird nun der (ursprünglichen) Steuerspannung des Elektromotors überlagert. Wird der Elektromotor mit diesem überlagerten Signal betrieben, so ist die Amplitude bei der zu ändernden Frequenz entsprechend reduziert, das Störgeräusch ist reduziert beziehungsweise das Geräusch des Elektromotors entsprechend verändert. Diese bevorzugte Verfahrensführung wird insbesondere Betriebspunktabhängig durchgeführt. Für signifikante Betriebspunkte, insbesondere oft auftretende Betriebspunkte oder Betriebspunkte mit einem besonders charakteristischen Geräusch, wird diese Analyse durchgeführt und das entsprechende Korrektursignal oder das überlagerte Signal in der Steuerung des Elektromotors hinterlegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die frequenzabhängige Responsefunktion durch folgende Schritte ermittelt wird:

a) Bestimmung einer Steuerspannung des Elektromotors in einem Betriebspunkt des Elektromotors; und
b) Bestimmung der Frequency Response Funktion des Systems basierend auf der Steuerspannung.

Durch das mathematische Verfahren der Frequency Response Funktion kann also ein Übertragungsverhalten des Elektromotors über das oder mit dem betrachtete(n) System ermittelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Korrektursignal durch folgende Schritte ermittelt:

A) Ermittlung einer Störfrequenz;
B) Untersuchung der Responsefunktion im Hinblick auf die Signalamplitude und Phase bei der Störfrequenz;
C) Bestimmung einer Korrekturgröße durch Phaseninvertierung; und
D) Ermittlung des Korrektursignals durch Fourier Transformation der Korrekturgröße.

Unter einer Störfrequenz kann hier auch allgemein eine zu ändernde Frequenz verstanden werden. Unter der Responsefunktion wird hier insbesondere die Frequency Response Funktion des Systems, insbesondere des Kraftfahrzeugs oder des betrachteten Systems verstanden, die das Übertragungsverhalten des Systems darstellt. Als Fourier Transformation wird bevorzugt ein auf einer so genannten Fast Fourier Transformation beruhender Algorithmus eingesetzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Korrektursignal der Steuerspannung des Elektromotors überlagert.
Dies erfolgt insbesondere bei bestimmten Betriebspunkten des Elektromotors.
Das bis hierher beschriebene Verfahren stellt ein so genanntes passives Verfahren dar, bei dem ein Korrektursignal, gegebenenfalls Betriebspunktspezifisch, vorab ermittelt und beispielsweise in der Steuerung des Elektromotors hinterlegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein aktives Signal zum Einsatz kommen, bei welchem ein Korrektursignal analog wie bei dem passiven Verfahren bestimmt wird, dies jedoch im laufenden Betrieb des Systems. Hier kann besonders vorteilhaft das System das Kraftfahrzeug selbst darstellen. Dies soll im folgenden ausgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird dem mindestens eine Schallkennung im System zumindest zeitweise ermittelt wird und das Korrektursignal in Abhängigkeit von der Abweichung der Schallkennung von einer vorgebbaren Sollkennung variiert wird.
Hier wird eine Schallkennung des Systems aufgenommen, insbesondere durch Mikrofone und/oder Schwingungsaufnehmer. Eine Sollkennung, beispielsweise eine bestimmte Schallcharakteristik des Elektromotors und/oder des Kraftfahrzeugs, ist hinterlegt und wird mit der gemessenen Schallkennung abgeglichen. Das entsprechende Korrektursignal wird bevorzugt wie oben dargelegt über die Frequency Response Funktion des Systems bestimmt.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Variation des Korrektursignals durch folgende Schritte ermittelt wird:

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, welches zumindest zeitweise von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, bei dem ein Betriebspunkt des Elektromotors bestimmt und der Elektromotor in diesem Betriebspunkt nach einem Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors wie hier beschrieben betrieben wird.
Die für das Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors beschriebenen Details und Vorteile lassen sich auf das Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs übertragen und anwenden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit mindestens einem Elektromotor zum zumindest zeitweisen Antrieb des Kraftfahrzeugs, aufweisend eine Steuereinheit, die zur Durchführung des Verfahrens zum Betrieb eines Elektromotors wie hier beschrieben geeignet und bestimmt ist.
Die für das Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors und eines Kraftfahrzeugs beschriebenen Details und Vorteile lassen sich auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen und anwenden und umgekehrt. Als Elektromotor kommen insbesondere Drehfeld- beziehungsweise Wanderfeldmotoren zum Einsatz. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug, betreibbar mit einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Ottomotor, einem Dieselmotor oder einem Wankelmotor, und/oder mindestens einem Elektromotor, handeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs umfasst dieses mindestens einen Error-Sensor zur Aufnahme einer Schallkennung im Kraftfahrzeug.
Bei den Error-Sensoren kann es sich um Mikrofone und/oder Schwingungsaufnehmer handeln. Mit Mikrofonen lässt sich insbesondere die Schallkennung aufnehmen, die im Wesentlichen auf der Übertragung durch die Luft beruht, während durch Schwingungsaufnehmer, insbesondere angeordnet im Motorraum und/oder an der Karosserie, sich die Schallkennung aufnehmen lässt, die im Wesentlichen auf der Übertragung durch die Strukturen des Kraftfahrzeugs (Körperschall) beruht. Beide Arten von Error-Sensoren können unabhängig oder in Kombination zur Aufnahme der Schallkennung eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs umfasst dieses einen Frequenz-Umrichter zum Ansteuern des Elektromotors, der mit der Steuereinheit verbindbar ist.
Diese Verbindung erfolgt insbesondere kabelgebunden, kann aber auch kabellos erfolgen. Bevorzugt steuert die Steuereinheit den Frequenz-Umrichter nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
1: ein Beispiel eines zumindest zeitweise von einem Elektromotor antreibbaren Kraftfahrzeugs;
2: Amplitudenspektrum des Geräusches des Kraftfahrzeugs;
3: Amplitudenspektrum eines möglichen Zielgeräusches des Kraftfahrzeugs;
4: spektrale Anregung des Kraftfahrzeugs;
5: Übertragungsfunktion zwischen der Steuerspannung und dem Geräuschspektrum des Kraftfahrzeugs;
6 ursprüngliche Steuerspannung des Elektromotors;
7 ursprüngliche Steuerspannung des Elektromotors mit Korrektursignal;
8 Flussdiagramm des passiven Verfahrens zur Geräuschmodifikation;
9: Flussdiagram eines passiv und aktiv wirkenden Verfahrens zur Geräuschmodifikation; und
10: ein Beispiel eines Kraftfahrzeugs mit einer kombinierten passiven und aktiven Geräuschmodifikation;
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, welches von einem Elektromotor 2 antreibbar ist. Es handelt sich dabei um einen Drehfeld- oder Wanderfeldmotor. Zur Drehzahlregelung des Elektromotors 2 ist ein Frequenz-Umrichter 3 ausgebildet, der die zur Verfügung stehende Gleichspannung aus einer Batterie 4 in ein Wechselspannungssignal umwandelt, dessen Frequenz im Wesentlichen der gewünschten Solldrehzahl entspricht. Hierfür wird üblicherweise durch Pulsweitenmodulation (PWM) ein Solldrehzahl-korrelierter Signalverlauf (wie z.B. ein Sinus) iterativ angenähert, je nach Taktfrequenz des Frequenz-Umrichters 3 mehr oder weniger genau erfolgt.
Der hier dargestellte Lösungsansatz bietet eine einfache und sehr effektive Möglichkeit, die Geräuschcharakteristik von Systemen wie Kraftfahrzeugen 1 umfassend einen Elektromotor 2 zu beeinflussen und insbesondere nahezu wirkungsgradneutral die Störgeräusche von Elektromotoren zu reduzieren oder sogar zu unterdrücken, indem dieses Ansteuerungssignal durch Überlagerung kompensatorischer Korrektursignale minimal abgeändert wird.
Ermöglicht wird dies durch die transferpfadspezifische Invertierung der ordnungsrelevanten Signalanteile in der Ansteuerung, wobei man die zur Störgeräuschausbildung führenden Überhöhungen im System-Übertragungsverhalten bei der Bestimmung der Störgeräuschunterdrückung quantitativ berücksichtigt und sie dadurch quasi als „Verstärker“ bei der Unterdrückung nutzt.
Durch eine akustische Vermessung eines Elektromotors 2, insbesondere unter Laborbedingungen, werden die zu reduzierenden Störgeräuschanteile ermittelt und durch eine Fast Fourier Transformation (FFT) in ein Amplituden- und ein Phasenspektrum überführt. In dem betreffenden Betriebspunkt des Elektromotors 2 wird das Zeitsignal der Motoransteuerung (Speisung) ebenfalls erfasst und auch per FFT in Amplituden- und Phasenspektrum transformiert. Mittels spezieller Analyseverfahrens, beispielsweise dem Verfahren der Frequency Response Function (FRF) kann aus dem komplex gemittelten Kreuzspektrum der beiden Signale (Störgeräuschanteil und Frequenzspektrum der Speisung) und dem separat gemittelten Autospektrum die komplexe Übertragungsfunktion zwischen der initialen Anregung der Speisung und der Geräuschantwort bestimmt werden.
Werden nun die Störgeräuschanteile durch die inverse Übertragungsfunktion – die so genannte Admittanzfunktion – geschickt, dann erhält man daraus die anregenden Signalinhalte der Motoransteuerung. Werden diese in ihrer Phase um 180° gedreht und der ursprünglichen Motoransteuerung überlagert, dann kann damit der Störgeräuschanteil im Idealfall eliminiert (durch destruktive Überlagerung ausgelöscht) werden.
Aufgrund des im Falle von Störgeräuschen meist sehr einflussreichen Übertragungsverhaltens des Systems sind für diese kompensatorische Auslöschung, wie unten noch gezeigt werden wird, meist nur unwesentlich erscheinende Signaländerungen (Überlagerungen) in der Motorspeisung erforderlich, so dass Wirkungsgradeinflüsse nicht auftreten.
Wie diese transferpfadspezifische Invertierung eines Störgeräusches praktisch erfolgen kann, soll am folgenden Beispiel verdeutlicht werden: Man bestimmt zunächst anhand einer FFT des gemessenen Störgeräusches die Pegelinhalte der störenden / zu kompensierenden Ordnungen sowie deren Phasenlage relativ zu den übrigen Signalinhalten. Hierzu ist in 2 ein Amplitudenspektrum 5 des gemessenen Geräusches eines Elektromotors 2 dargestellt. Auf das zugehörige Phasenspektrum muss hier zunächst nicht eingegangen werden. Klar erkennbar sind hier mehrere Amplitudenüberhöhungen, die ihre größten Pegel im Bereich zwischen ca. 0.5 kHz und 5 kHz besitzen. Das Geräuschbild dieses Elektromotors 2 wurde als äußerst unangenehm und lästig bezeichnet, was anhand von Anhörversuchen (mit synthetisch modifizierten Geräuschen) an einer Amplitudenüberhöhung 6 bei 3210 Hz festgemacht werden konnte. Diese Amplitudenüberhöhung 6 entspricht einer 48. Motorordnung und wandert deshalb in ihrer Frequenz mit der Motordrehzahl. In 3 ist ein Amplitudenspektrum 7 eines möglichen Zielgeräusches dargestellt – ermittelt wie zuvor beschrieben durch synthetisches „Geräusch-Design“, bei dem das Ausgangsgeräusch so lange per parametrierbarem Bandstoppfilter modifiziert wird, bis es in der Anhörung als nicht mehr lästig/störend beurteilt wird. Im vorliegenden Fall musste hierzu die Amplitudenüberhöhung 6 dieser 48. Ordnung von der ursprünglichen Amplitudenüberhöhung 6 auf eine reduzierte Amplitudenüberhöhung 8 gesenkt werden, bis die zuvor störende Geräuschkomponente in der Wahrnehmung gänzlich verschwunden war.
Eine Messung der Motorspeisung, also der Steuerspannung des Elektromotors 2, in dem betreffenden Betriebspunkt erlaubt es, ebenfalls durch eine FFT (siehe 4) die spektrale Anregung 9 des Systems (Kraftfahrzeug 1) durch die Motoransteuerung zu bestimmen. 4 zeigt ein Beispiel, in dem dies durch generatorischen Betrieb im Schleppbetrieb ermittelt wurde. Die für das Störgeräusch verantwortliche 48. Ordnung (siehe Bezugszeichen 10) ist in dem Motoransteuerungssignal zwar diskret vorhanden, tritt aber keinesfalls auffällig in Erscheinung.
In 5 wird das resultierende Übertragungsverhalten zwischen Motoransteuerung und dem Laufgeräusch des Elektromotors abgebildet, das sich durch den mathematischen Prozess der Frequency Response Function (des so genannten Frequenzgangs) bestimmen lässt. 5 zeigt die entsprechende Frequency Response Function 11 des Systems (des Kraftfahrzeugs 1), welche ein Verstärkungsverhalten 12 des Störgeräuschanteils der 48. Motorordnung. Dieses Übertragungsverhalten beinhaltet mehr als nur das strukturdynamische Verhalten der beteiligten Komponenten oder Baugruppen. Vielmehr spiegeln sich in der Frequency Response Function 11 auch die zeitlichen Trägheiten des elektrischen Teilsystems aufgrund von Kapazitäten und Induktivitäten, geometrische Einflüsse sowie alle Effekte aufgrund der Abweichung des realen magnetischen Feldes vom idealisierten Feldverlauf wider. Eine Bestimmung der gesamtheitlichen Auswirkung kann daher nur durch eine Bestimmung der gesamten Wirkkette von der initialen Motorspeisung bis zum resultierenden Störgeräuschanteil stattfinden. Auch reziproke Ansätze (also eine Anregung auf der Antwortseite und eine Reaktionsmessung auf der Erregerseite) können alternativ hierfür zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist jedoch, dass die gesamte Wirkkette in dem betrachteten Transferpfad beinhaltet ist und damit durch ein geeignetes Korrelationsverfahren die effektive Übertragungsfunktion als komplexe Größe (also nach Betrag und Phase) bestimmt werden kann.
Diese (mathematisch) komplexe Übertragungsfunktion mit Amplituden- und Phasenanteil zwischen Motorspeisung und Störgeräusch erlaubt es nun, den notwendigen Signalanteil zu bestimmen, der notwendig ist, um die Ausbildung des Störgeräusches zu unterbinden oder zu reduzieren, indem die ermittelten Signalanteile mit einer Phasendrehung um 180° der ursprünglichen Steuerspannung überlagert werden. So kann ein Korrektursignal ermittelt werden, welches der Steuerspannung des Elektromotors 2 zur Reduktion des Störgeräusches überlagert wird. Dies soll im Folgenden, insbesondere unter Bezugnahme auf die 6 und 7 näher geschildert werden.
In 6 ist die wie oben beschrieben im generatorischen Betrieb bei Schleppung bestimmte Steuerspannung (Außenleiterspannung) 13 des Elektromotors 2 dargestellt, also das Zeitsignal des in 4 gezeigten Amplitudenspektrums der Motoransteuerung. Auch in dieser Zeitbereichs-Darstellung kann man bereits Anteile höherer Frequenzen bzw. Ordnungen erkennen, die dem eigentlichen drehzahlsynchronen Verlauf überlagert sind.
In 7 ist zum direkten Vergleich die ursprüngliche Steuerspannung (das so genannte Außenleiterspannungssignal) 13 des Elektromotors 2 zusammen mit dem nach dem vorliegenden Verfahren modifizierten Signal 14 dargestellt, wobei die grüne Kurve das ursprüngliche Außenleiterspannungssignal 13 und die rote Kurve das Korrektursignal 15 wiedergibt. Das modifizierte Signal 14 ergibt sich als die Überlagerung der ursprünglichen Steuerspannung 13 mit dem Korrektursignal 15. Dort wo die beiden Kurven exakt deckungsgleich sind entsteht ein schwarzer Kurvenzug, so dass bei dieser Kurvendarstellung lediglich die sichtbaren roten und grünen Kurventeile das Ausmaß dieser notwendigen, geringfügigen Signaländerungen angeben. Entsprechend kann bei einer derartig minimalen Änderung der Motoransteuerung davon ausgegangen werden, dass sich hierdurch keine messbaren Wirkungsgrad-Unterschiede ergeben.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt also darin, dass man durch die integrale Betrachtungsweise relativ einfach die gesamtheitliche Wirkung der Übertragung bestimmen kann ohne dabei die Einzeleffekte (Anteile der Strukturdynamik der Komponenten, Anteile der Lagerung und des Gehäuses, Anteile basierend auf dem akustischen Abstrahlverhalten des Gehäuses etc.) analysieren zu müsse. Vielmehr erhält man damit die Möglichkeit, direkt die Systemrelevanten, für die Störung verantwortlichen Pegelanteile invers zu bestimmen, um dann in der Motorspeisung diese sehr kleinen Ordnungsanteile additiv derart zu überlagern, dass am Ende eine signifikante Reduktion des Störgeräusches erzielt wird.
Die Hinterlegung der zur Störgeräuschunterdrückung notwendigen Modifikationen im Signal der Motoransteuerung erlaubt auch die Schaltung unterschiedlicher Ansteuerungen. Insbesondere im Hinblick auf eine mit diesem Prinzip erzielbare Klanggestaltung bietet sich hier die Möglichkeit, die akustische Rückmeldung des Elektromotors z.B. lastabhängig je nach Fahrerwunsch deutlicher in Erscheinung treten zu lassen. Hier wird dann statt einem zu unterdrückenden Störgeräusch auf ein zu betonendes Geräusch abgestellt und analog verfahren. Eine Kopplung unterschiedlicher Klangmuster in einem Ansteuerungs-Kennfeld an bereits vorhandene Assistenzsysteme (z.B. wie in der Fahrwerkssteuerung: sportlich vs. neutral vs. komfortabel) ist ebenfalls möglich.
8 zeigt ein Flussschema des bis hierher beschriebenen passiven Verfahrens zur Geräuschmodifikation beziehungsweise zur Unterdrückung eines Störgeräusches im Geräuschspektrum des Elektromotors 2 eines Kraftfahrzeugs 1. Die beschriebene Vorgehensweise ähnelt in ihrem Wirkprinzip so genannten aktiven Systemen, ohne jedoch selbst ein aktives System zu sein. Bei aktiven Systemen wird dem zu bekämpfenden Phänomen ein in der Amplitude entsprechender aber in seiner Phasenlage um 180° verschobener Effekt überlagert, so dass es zu einer sog. destruktiven Überlagerung („Auslöschung“) für das zu bekämpfende Phänomen kommt. Solche aktive Systeme benutzen in der Regel einen rückgekoppelten (zurückgeschleiften) Istwert des zu optimierenden Geräusches oder Schwingungsphänomens, der mit einem definierten Sollwert (Zielwert) verglichen und daraus dann der erforderliche Regeleingriff abgeleitet wird (sog. Feedback-Regelung)
Dieser Vergleich zwischen einem zu messenden Istwert und einem festgelegten Sollwert samt der hieraus abzuleitenden Eingriffsmaßnahme findet bei der bisher beschriebenen Verfahrensführung nicht statt. Vielmehr wird die zur Erreichung des gewünschten Zielgeräuschs notwendige Modifikation der Motoransteuerung bereits im Vorfeld einmalig und damit statisch festgelegt, da sich die relevanten Parameter (z.B. strukturdynamisches Verhalten der Komponenten, Abstrahlverhalten des Gehäuses etc.) über der Motorlebensdauer nicht wesentlich verändern. Jedoch ist eine weitere, zusätzliche aktive Regelung ebenfalls möglich, die im Folgenden detailliert beschrieben werden soll. Diese aktive Regelung ist auch unabhängig von der bisherigen passiven Geräuschmodifikation möglich.
Bei der aktiven Regelung kann das Zielgeräusch aktiv erzeugt beziehungsweise beeinflusst werden. Hierfür wird zunächst die oben beschriebene passive Methode zur Störgeräuschbefreiung oder Geräuschmodifikation angewendet und so die notwendige Steuerspannung im Betriebspunkt quasi als Vorsteuerung bereits vorgehalten, um dann aktiv das Geräusch gemäß des vorgebbaren Anforderungen zu gestalten („Sound-Design“), beispielsweise um ein gewünschtes Last Last-Feedback für die Insassen beziehungsweise den Fahrer zu erzeugen.
Hierzu wird prinzipiell ähnlich vorgegangen wie bei der passiven Störgeräuschbefreiung beziehungsweise Geräuschmodifikation, in dem auch quasi die akustische Wirkkette rückwärts betrachtet wird. Allerdings wird das Übertragungsverhalten (bzw. die Frequency Response Function (FRF)) nicht wie zuvor nur über das (Gesamt-)System des Elektromotors gebildet, sondern es muss um den Transferpfad in einer Fahrgastzelle erweitert betrachtet werden. Hier können sowohl Luftschallpfade als auch Körperschall-Pfade berücksichtigt werden, wobei zur Erzeugung eines kraftvoll klingenden Klangbildes vor allem die eher mittel- und tieffrequenten Ordnungen und deshalb maßgeblich die Körperschallpfade von Bedeutung sind. Detaillierte Kenntnisse über das notwendige Klangmuster (Ordnungsgemisch) zur Assoziation der gewünschten Rückmelde-Eigenschaften (kraftvoll, sportlich, souverän, komfortabel, etc.) können als bekannt angenommen werden.
Die zur Erzeugung dieses Ordnungsgemisches notwendigen Anregungen werden „aktiv“ dem Signal der Motor-Ansteuerung überlagert. Aktiv heißt in diesem Zusammenhang, dass auf kurz- und langfristige Veränderungen des Geräuschspektrums im Kraftfahrzeug 1 durch Änderung des Korrektursignals reagiert werden kann. Auch hier werden zur Bestimmung der notwendigen Korrektursignale die transferpfadspezifischen Übertragungseigenschaften wie oben beschrieben quantitativ berücksichtigt, um unter Nutzung des Systemverhaltens mit möglichst geringen Veränderungen der Steuerspannung 13 des Elektromotors 2 die akustische Zielvorgabe zu erreichen.
Der Einsatz eines aktiven Systems findet seine Berechtigung vor allem in einer Vielzahl möglicher Einflussfaktoren, die durch eine passive Vorsteuerung nicht ausreichend flexibel berücksichtigt werden können. Während beispielsweise unterschiedliche Betriebsmodi wie Rekuperieren oder Boosten zentral im Fahrzeugsteuergerät erfasst sind und daher auch passiv vorgesteuert ausreichend berücksichtigt werden können, führen vor allem unvermeidliche Streuungen im Fahrzeugübertragungsverhalten betrachtet über eine Vielzahl von Fahrzeugen oder die in vielerlei Hinsicht veränderlichen Randbedingungen für das Innengeräusch (z.B. Fahrzeugbesetzung, Fensteröffnung, Betrieb der Musik- oder Freisprechanlage, etc.) zu Situationen, die im Vorfeld oft nicht ausreichend berücksichtigt werden können. Auch etwaigen Veränderungen im Betriebsverhalten des Elektromotors oder deren Aufhängung in der Fahrzeugstruktur durch Alterung oder Verschleiß kann erst durch eine aktive Feedback-Regelung Rechnung getragen werden. 9 zeigt ein Flussdiagramm einer entsprechend kombiniert passiv und aktiv wirkenden Geräuschmodifikation im Kraftfahrzeug 1.
10 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Fahrgastzelle 16. Das Kraftfahrzeug 1 ist zumindest zeitweise über einen Elektromotor 2 antreibbar. Insbesondere handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug 1 um ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. In der Fahrgastzelle 16 sind erste Error-Sensor 17 ausgebildet. Die ersten Error-Sensor 17 sind als Mikrofone ausgebildet, die den Schall in der Fahrgastzelle 16 aufnehmen. Zweite Error-Sensor 18 sind beispielsweise in einem Motorraum 19 des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildet. Die zweiten Error-Sensor 18 können beispielsweise als Mikrofone oder Schwingungsaufnehmer gestaltet sein. Die Error-Sensoren 17, 18 dienen also der Aufnahme einer Schallkennung im Kraftfahrzeug 1. Über die ersten Error-Sensoren 17 wird insbesondere der Luftschall-Übertragungsweg überwacht, während über die zweiten Error-Sensoren 18 der Körperschall-Übertragungsweg überwacht wird.
Die Signale der ersten Error-Sensoren 17 und der zweiten Error-Sensoren 18 werden in eine Steuereinheit 20 eingespeist, über die ein Frequenz-Umrichter 3 des Elektromotors 2 und über diesen der Elektromotor 2 selbst angesteuert wird. In der Steuereinheit 20 wird ein Vergleich zwischen dem Ist-Signal, welches von den Error-Sensoren 17, 18 aufgenommen wird, und einem vorgebbaren Soll-Signal, einem Zielgeräusch, vorgenommen. Bei Abweichungen des Schallkennung von einer vorgebbaren Sollkennung erfolgt eine Analyse wie oben im Zusammenhang mit den 2 bis 7 geschildert, die ein Korrektursignal 15 liefert, welches mit der Steuerspannung 13 überlagert in den Frequenz-Umrichter 3 gespeist wird. Dies führt zu einer Anpassung der Steuerspannung 13 zu einem modifizierten Signal 14 und damit – wie oben beschrieben – zu einer entsprechenden Anpassung der Schallkennung im Kraftfahrzeug 1 an das vorgebbare Zielgeräusch. In dem hier gezeigten Beispiel ist noch eine Schalteinheit 21 ausgebildet, über die der Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 die Charakteristik des Zielgeräusches umschalten kann. Die entsprechende Wahl des Fahrers wird dann in die Steuereinheit 20 und gegebenenfalls auch in den Frequenz-Umrichter 3 eingespeist.
Das hier beschriebene Verfahren erlaubt eine Steuerung eines Elektromotors 2, bei der eine vorgebbare Sollcharakteristik des Systems unter Berücksichtigung der Wirkwege im System bei der Schallübertragung beispielsweise über Körperschall durch das System und/oder über Luftschall erreicht werden kann. Bei der Responsefunktion handelt es sich insbesondere um die Frequency Response Funktion, die das Übertragungsverhalten des Systems darstellt. Insbesondere wird diese Responsefunktion Betriebspunktabhängig ermittelt. Durch diese Verfahrensführung können Störgeräusche reduziert und/oder bestimmte Sollcharakteristiken des Systems aufgeprägt werden. Das Korrektursignal kann vorab einmal pro Betriebspunkt ermittelt werden (passives Verfahren) und/oder ständig oder zeitweise im Betrieb ermittelt werden (aktives Verfahren).
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Elektromotor
3: Frequenz-Umrichter
4: Batterie
5: Amplitudenspektrum
6: Amplitudenüberhöhung
7: Amplitudenspektrum
8: Amplitudenüberhöhung
9: Spektrale Anregung
10: Störgeräusch
11: Frequency Response Funktion
12: Verstärkungsverhalten
13: Ursprüngliche Steuerspannung
14: Modifiziertes Signal
15: Korrektursignal
16: Fahrgastzelle
17: Erster Error-Sensor
18: Zweiter Error-Sensor
19: Motorraum
20: Steuereinheit
21: Schalteinheit

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors (2) in einem System, beispielsweise einem Kraftfahrzeug (1), bei dem aus einer frequenzabhängigen Responsefunktion des Systems ein Korrektursignal (15) zur Änderung des Betriebsgeräusches des Systems bei zumindest einer vorgebbaren Frequenz ermittelt wird, welches zur Steuerung des Elektromotors (2) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die frequenzabhängige Responsefunktion durch folgende Schritte ermittelt wird: a) Bestimmung einer Steuerspannung (13) des Elektromotors (2) in einem Betriebspunkt des Elektromotors (2); und b) Bestimmung der Frequency Response Funktion des Systems basierend auf der Steuerspannung (13).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Korrektursignal (15) durch folgende Schritte ermittelt wird: A) Ermittlung einer Störfrequenz; B) Untersuchung der Responsefunktion im Hinblick auf die Signalamplitude und Phase bei der Störfrequenz; C) Bestimmung einer Korrekturgröße durch Phaseninvertierung; und D) Ermittlung des Korrektursignals (15) durch Fourier Transformation der Korrekturgröße.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Korrektursignal (15) der Steuerspannung (13) des Elektromotors (2) überlagert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Schallkennung im System zumindest zeitweise ermittelt wird und das Korrektursignal (15) in Abhängigkeit von der Abweichung der Schallkennung von einer vorgebbaren Sollkennung variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Variation des Korrektursignals (15) durch folgende Schritte ermittelt wird: A) Ermittlung einer Störfrequenz; B) Untersuchung der Responsefunktion im Hinblick auf die Signalamplitude und Phase bei der Störfrequenz; C) Bestimmung einer Korrekturgröße durch Phaseninvertierung; und D) Ermittlung des Korrektursignals (15) durch Fourier Transformation der Korrekturgröße.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs (1), welches zumindest zeitweise von mindestens einem Elektromotor (2) angetrieben wird, bei dem ein Betriebspunkt des Elektromotors (2) bestimmt und der Elektromotor (2) in diesem Betriebspunkt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben wird.
Kraftfahrzeug (1) mit mindestens einem Elektromotor (2) zum zumindest zeitweisen Antrieb des Kraftfahrzeugs (1), aufweisend eine Steuereinheit (20), die zur Durchführung des Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet und bestimmt ist.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 8, weiterhin umfassend mindestens einen Error-Sensor (17, 18) zur Aufnahme einer Schallkennung im Kraftfahrzeug (1).
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin umfassend einen Frequenz-Umrichter (3) zum Ansteuern des Elektromotors (2), der mit der Steuereinheit (20) verbindbar ist.