DE102015111409B3

DE102015111409B3 - Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten

Info

Publication number: DE102015111409B3
Application number: DE102015111409.7A
Authority: DE
Inventors: Jens-Werner Falkenstein; André Promehl
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2035-07-15

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen (3, 6) oder zwischen zwei Bereichen eines elastisch verformbaren Elements (6) werden zeit- und/oder wertdiskrete Signale von wenigstens zwei, jeweils einem der Elemente (3, 6) oder zwei voneinander beabstandeten Bereichen des elastisch verformbaren Elements (6) zugeordneten Gebern (8, 9) ausgewertet. Die zeit- und/oder wertdiskreten Signale der Geber (8, 9) werden auf einen gemeinsamen zeitlichen Bezugspunkt synchronisiert. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen liegende Werte der Geber (8, 9) werden mittels Interpolation und/oder Extrapolation und/oder einer Ausgleichsrechnung ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen oder zwischen zwei Bereichen eines elastisch verformbaren Elements nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
In der DE 10 2004 019 379 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Differenzwinkels zweier sich drehender Komponenten in einem Triebstrang durch Erfassen eines ersten Drehwinkels einer ersten Komponente, Erfassen eines zweiten Drehwinkels einer zweiten Komponente und Berechnen des Differenzwinkels auf der Grundlage des ersten und des zweiten Drehwinkels beschrieben. Um Drehmomente in einem Triebstrang zu erfassen, wird ein Differenzwinkel an zwei Messstellen dadurch ermittelt, dass die Drehwinkel an den beiden Messstellen jeweils beaufschlagt mit einem entsprechenden Übersetzungsverhältnis voneinander subtrahiert werden. Aus dem Differenzwinkel kann ohne Umweg über die Drehgeschwindigkeit direkt auf ein übertragenes Drehmoment geschlossen werden. Des Weiteren wird durch Summieren einzelner Impulse der Drehwinkel einer rotierenden Welle bestimmt. Die Erfassung einzelner Zahnflanken erfolgt interruptgesteuert und die zugehörigen Zeitpunkte des Eintreffens der Zahnflankenimpulse werden abgespeichert. Um eine Auswertung der zu bestimmten Zeitpunkten eintreffenden Zahnflankenimpulse zu einem bestimmten Abtastzeitpunkt zu ermöglichen, wird dort innerhalb einer festen Abtastperiodendauer die Anzahl der Impulse gezählt und anschließend eine Korrektur zur Berücksichtigung des Abtastintervalls eingefügt.
Aus der EP 1 435 474 B1 ist ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung eines Antriebsstrangs, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bekannt, wobei der Antriebsstrang mehrere Sensoren zur Aufnahme von Messgrößen und mehrere über Stellgrößen gesteuerte Aktuatoren aufweist. Eine Antriebssteuerung des Antriebsstrangs steuert die Aktuatoren mittels der Stellgrößen unter Benutzung der Messgrößen der Sensoren. Dabei werden mehrere Sensoren zur Erfassung von Messparametern und mehrere Stellglieder über Stellglieder gesteuert. Das Verfahren beinhaltet eine Antriebssteuerung für den Antriebsstrang zur koordinierten Steuerung der Aktuatoren mittels der Stellglieder unter Benutzung der Messparameter der Sensoren.
Die DE 10 2006 027 834 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehmoments, das entlang einer Momenten-Übertragungsstrecke übertragen wird, die zumindest entlang einer Welle eines Kraftfahrzeugs verläuft. Mittels eines ersten Drehzahlsensors wird ein Drehpositionssignal an einem ersten Abschnitt der Übertragungsstrecke erzeugt, und mittels wenigstens eines zweiten Drehzahlsensors wird ein Drehpositionssignal an einem zweiten Abschnitt der Übertragungsstrecke erzeugt. Zu einem Zeitpunkt, zu dem ein bekanntes Drehmoment entlang der Übertragungsstrecke übertragen wird, wird anhand der momentan erzeugten Drehpositionssignale eine erste Drehpositionssignal-Beziehung ermittelt, die als ein Offsetwert dient. Zu einem späteren Zeitpunkt wird anhand der momentan erzeugten Drehpositionssignale eine zweite Drehpositionssignal-Beziehung ermittelt. Das übertragene Drehmoment wird auf Grundlage des Offsetwerts und der zweiten ermittelten Drehpositionssignal-Beziehung berechnet.
Die DE 10 2007 055 219 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments, das entlang einer Momenten-Übertragungsstrecke übertragen wird, die zumindest entlang eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs verläuft. Die Vorrichtung weist ein erstes Geberelement, das an einer ersten Position des Antriebsstrangs drehfest mit diesem verbunden ist, und ein zweites Geberelement, das an einer zweiten Position des Antriebsstrangs drehfest mit diesem verbunden ist, auf. Ein erster Sensor dient zur Detektion der Winkelposition und/oder der Drehbewegung zumindest des ersten Geberelements. Eine Bestimmungseinheit ist zur Bestimmung des übertragenen Drehmoments aus dem Versatz der Winkelpositionen und/oder der Drehbewegungen des ersten und zweiten Geberelements vorgesehen. Dabei weist zumindest das zweite Geberelement ein Übermittlungselement auf, das sich derart entlang des Antriebsstrangs zwischen der zweiten Position an dem Antriebsstrang und einer Ausleseposition erstreckt, die derart angeordnet ist, dass an der Ausleseposition entweder der erste Sensor oder ein zu dem ersten Sensor benachbarter zweiter Sensor die Winkelposition und/oder die Drehbewegung des zweiten Geberelements detektieren kann.
Die WO 2013/053547 A1 beschreibt ein Verfahren zur aktiven Dämpfungsregelung für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor, wobei ein aktueller Soll-Drehmomentwert des Elektromotors erhalten und ein aktueller Drehwinkel des Elektromotors bestimmt werden. Des Weiteren wird ein aktueller Dämpfungs-Drehmomentwert unter Verwendung eines reduzierten Triebstrangmodells bestimmt.
Aus der DE 10 2010 029 706 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung von ungewollten Triebstrangreaktionen eines Kraftfahrzeuges mit einem Antriebsaggregat bekannt, wobei zumindest ein Elektromotor vorhanden ist. Dabei wird eine unerwünschte Momentenabgabe des Elektromotors durch ein Störmoment nachgebildet. Um das Störmoment abzuschätzen wird ein Störgrößenbeobachter eingesetzt.
Im Rahmen der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen wurden in der Vergangenheit zahlreiche Normen verschärft und befinden sich weiterhin stetig im Wandel. Die ISO 26262 beschreibt speziell die Anforderungen an elektrische Systeme in Kraftfahrzeugen. Aufgrund der zunehmenden Drive-by-Wire-Technologie besteht die Gefahr, dass Fehler in der Steuerung oder der Signalübertragung zur Abgabe von unerwünschten Kräften oder Drehmomenten führen. Unter Umständen sind schwerwiegende Unfälle oder unvorhersehbare Schäden des Antriebssystems unvermeidlich. Defekte oder Kurzschlüsse in den Halbleiterelementen der Leistungselektronik können zu ähnlichen Problemen führen. Aufgrund des bei Elektrofahrzeugen dauerhaft vorliegenden Kraftschlusses von Antriebselement und Rad können entsprechende Fehler zu ungewollten Triebstrangreaktionen führen, was sich im Fehlerfall beispielsweise in einer ungewollten Fahrzeugbewegung oder -beschleunigung äußert. Bei Einzelachs- oder Einzelradantrieben verschärft sich diese Problematik aus fahrdynamischen Gründen; ein Fehler in einem Einzelradantrieb ist vom Fahrer allein kaum beherrschbar. Eine ungewollte Drehmoment- oder Leistungsabgabe, die zu vom Fahrerwunsch abweichenden Triebstrangreaktionen führt, muss im Sinne der funktionalen Sicherheit eindeutig als Fehler identifiziert werden, um entsprechende Gegenmaßnahmen in einer sicherheitsbezogenen Steuerung einzuleiten. Es besteht daher ein hoher Bedarf an redundanten Fehlererkennungsstrategien.
Die Ermittlung von Kräften oder Drehmomenten in schwingungsfähigen Antriebssystemen stellt nach dem gegenwärtigen Stand der Technik keine größeren Probleme dar. Drehmomente können beispielsweise sehr exakt mit Drehmomentmesswellen ermittelt werden. Der Einbau solcher Messeinrichtungen in einem Antriebssystem ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, weshalb sich der Einsatz in der Serienfertigung von Kraftfahrzeugen nicht etabliert hat und mit hoher Wahrscheinlichkeit auch nicht etablieren wird. Außerdem sind diese Messeinrichtungen sehr empfindlich und nicht ausreichend robust, um den wechselnden Betriebsbedingungen, zu denen Verschmutzungen und ein großer Temperaturbereich gehören und die zum Beispiel in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen vorherrschen, standzuhalten. Ständige Vibrationen begünstigen die vorzeitige Alterung der Drehmomentmesswelle. Die Messeinrichtung wird beispielsweise durch die Unebenheit der Fahrbahn stochastisch und zusätzlich durch dynamische Belastungen zu Schwingungen angeregt, wodurch die zu erwartende Lebensdauer signifikant reduziert wird. Drehmomentmesswellen funktionieren im Allgemeinen mit Dehnungsmessstreifen, die um 45° zur Mittellinie einer Welle geneigt sind, so dass sie kongruent zur Hauptschubspannungsrichtung sind. Alternativ sind Lösungsansätze bekannt, deren Messprinzip darauf beruht, dass sich zwei hochauflösende Strichscheiben in geringem Abstand gegenüberstehen und deren Relativverdrehung zueinander optisch erfasst wird.
Beispielsweise werden in Antiblockiersystemen Geberräder eingesetzt, die auf ihrem Umfang eine Vielzahl von Zähnen aufweisen. Die durch den Zahn des Geberrads verursachte Veränderung eines Magnetfeldes ermöglicht die Detektion steigender oder fallender Zahnflanken. Teilweise ist eine Drehrichtungserkennung durch die Auswertung von A, B-Spuren möglich. Typischerweise besitzt ein solches Geberrad ca. 40–50 Zähne. Damit lässt sich der Drehwinkel des Rads bei Zweifachauswertung mit einer Genauigkeit von ca. 3,6–4,5 Winkelgrad auflösen. Somit liegen zu jedem Zeitpunkt nur diskrete Drehwinkelinformationen mit der zuvor beschriebenen Quantisierungsgenauigkeit vor. Es ergibt sich ein diskretes Gebersignal, das bei der Detektion einer steigenden oder fallenden Zahnflanke um einen diskreten Wert erhöht oder dekrementiert wird. Wird keine Zahnflanke erkannt, so ändert sich das diskrete Gebersignal nicht, obwohl sich der aktuelle Drehwinkel des Rads ändern kann. Aussagen zum aktuellen Drehwinkel können nur im Rahmen dieser Quantisierungsgenauigkeit getätigt werden, was in vielen Fällen jedoch nicht zu brauchbaren Ergebnissen führt.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass mehrere ABS-Sensoren zu verschiedenen Zeitpunkten ihre diskreten Gebersignale aktualisieren. Zum Zeitpunkt der Änderung eines der diskreten Gebersignale ist also der zugehörige Drehwinkel bekannt, allerdings ändern sich die diskreten Gebersignale mehrerer Geber zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Somit lassen sich Relativverdrehungen nur ungenau erfassen. Ursächlich für abweichende Aktualisierungszeitpunkte sind zum einen die Drehzahldifferenzen verschiedener Räder eines Kraftfahrzeuges und zum anderen montagebedingte Abweichungen bei der Ausrichtung der Geberräder.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen oder zwischen zwei Bereichen eines elastisch verformbaren Elements zu schaffen, das zugleich kostengünstig und robust, d. h. unterwechselnden Betriebsbedingungen einsetzbar, ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Da erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine kostengünstige und zugleich robuste Art und Weise in der Lage, Relativbewegungen zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen oder zwischen zwei Bereichen eines elastisch verformbaren Elements genau zu ermitteln und daraus Kräfte oder Drehmomente zu bestimmen. Insbesondere werden mit der erfindungsgemäßen Lösung finanzielle Mehraufwendungen, wie sie beispielsweise durch den Einbau teurer Drehmomentmesswellen notwendig sind, vermieden, da das Verfahren mit bereits vorhandenen Sensoren durchgeführt werden kann.
Dabei werden gemäß dem Verfahren die diskreten Gebersignale mehrerer Geber auf einen gemeinsamen zeitlichen Bezugspunkt bzw. Rekonstruktionszeitpunkt synchronisiert, was auch als ”Resampling” bezeichnet werden kann. Um das diskrete Gebersignal zwischen zwei Zahnflanken auflösen zu können, wird beispielsweise der aktuelle Drehwinkel mittels Interpolation und/oder Extrapolation und/oder einer Ausgleichsrechnung ermittelt, sodass sich im Prinzip für jeden beliebigen Zeitpunkt ein Wert ergibt, auch wenn für diesen Zeitpunkt an sich von keinem der Geber ein Signal beziehungsweise eine Signaländerung vorliegt. Dadurch kann auch ein Wert zur Berechnung herangezogen werden, der konkret an sich gar nicht von einem Sensor ausgegeben wurde, sondern zwischen zwei erfassten Werten liegt und durch das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt wurde. Durch die erfindungsgemäße Synchronisierung der zeit- und/oder wertdiskreten Signale der Geber auf einen gemeinsamen zeitlichen Bezugspunkt wird die Tatsache, dass mehrere diskrete Gebersignale zu unterschiedlichen Zeitpunkten aktualisiert werden, auf einfache und zuverlässige Art und Weise berücksichtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft in Antriebssträngen bzw. Antriebsanordnungen von Fahrzeugen einsetzen, um Kräfte oder Drehmomente zu bestimmen. Basierend auf den ermittelten Kräften oder Drehmomenten bzw. einer sich daraus ergebenden Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen oder zwischen zwei Bereichen eines elastisch verformbaren Bauteils und damit einer geeigneten Information über ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren untersuchtes, schwingungsfähiges System kann auch eine aktive Schwingungsdämpfung durchgeführt werden. Demnach kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sicherheit in einem Antriebsstrang erhöht und der Fahrkomfort verbessert werden.
Eine besonders einfach auszuführende und dabei die Auswertegenauigkeit verbessernde Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, dass die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen liegenden Werte der Geber mittels einer linearen Interpolation ermittelt werden.
Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen liegenden Werte der Geber mittels einer Regression mit einem Polynom höherer Ordnung ermittelt werden.
Um ein besonders einfaches und zu einem beliebigen Zeitpunkt ausführbares Verfahren zu ermöglichen, kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die von den Gebern ausgegebenen Signale als Werte in wenigstens einem Steuergerät gespeichert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn für jedes Signal eines Gebers wenigstens zwei Datensätze abgespeichert werden, die unterschiedliche Zeitpunkte der Änderung des diskreten Signals des Gebers enthalten, so kann die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erhöht werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die von den Gebern ausgegebenen Werte in mehreren Steuergeräten ausgewertet werden, wobei die Zeitbasis der Steuergeräte synchronisiert wird. Durch die parallele Auswertung der Werte bzw. Datensätze in mehreren Steuergeräten können die mindestens zwei Steuergeräte bei unerwünschten Kräften oder Drehmomenten getrennt voneinander Fehlerreaktionen auslösen bzw. vertilgen über getrennte Abschaltpfade. Diese Redundanz erfüllt hohe Sicherheitsanforderungen.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Beobachtermodell eingesetzt wird, das in einem Steuergerät zeitdiskret berechnet wird und/oder dass ein dynamisches Modell eingesetzt wird. Die Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem dynamischen Antriebsstrangmodell bzw. einem Beobachtermodell, welches in einem Steuergerät zeitdiskret berechnet wird, ermöglicht es, dass neben der beschriebenen Geberauswertung durch den Beobachter beispielsweise ein weiterer Schätzwert für den Relativverdrehwinkel geliefert wird. Dabei kann vorteilhafterweise die Fundamentalmatrix des dynamischen Modells des Antriebssystems an die zulässige Schrittweite angepasst werden. Unterschiedliche zeitdiskrete Zustandsraumbeschreibungen desselben dynamischen Models werden für die unterschiedlichen zulässigen Schrittweiten in einem Steuergerät hinterlegt. Zur Berechnungszeit erfolgt die Auswahl einer der zeitdiskreten Zustandsraumbeschreibungen anhand der aktuell gewählten Schrittweite. Damit lässt sich die Funktionalität des Beobachtermodells vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinieren. Des Weiteren können dabei Werte mindestens eines weiteren Signals zusammen mit den Zeitpunkten deren Erfassung bzw. Abtastung in Datensätzen abgespeichert und auf den Rekonstruktionszeitpunkt umgerechnet werden. Auf diese Weise erhält das weitere Signal, bei dem es sich beispielsweise um das Solldrehmoment des Elektromotors handeln kann, zusammen mit den Gebersignalen einen gemeinsamen zeitlichen Bezug. Dies ermöglicht eine sehr einfache Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den beschriebenen Beobachteransätzen zur Ermittlung des Zustands einer Antriebsanordnung.
Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei einem eine Antriebsanordnung aufweisenden Fahrzeug einsetzen.
Relativbewegungen bei Anfahrvorgängen des Fahrzeugs können bestimmt werden, wenn ein zeitlicher Verlauf und eine Änderung eines Drehwinkels einer Antriebseinrichtung der Antriebsanordnung bei stehendem Fahrzeug mit betätigter Bremse gemessen werden, wobei nach dem Lösen der Bremse ein relativer Verdrehwinkel eines elastisch verformbaren Elements berechnet wird. Dadurch werden unmittelbar beim Anfahren die ersten Werte ermittelt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Anfangsposition wenigstens eines der Geber aus gespeicherten Datensätzen ermittelt wird, wobei aufeinanderfolgend ein negatives und ein positives Drehmoment zum Verdrehen von drehbeweglichen, im direkten Kraftfluss stehenden Teilen der Antriebsanordnung bis zum Erreichen jeweiliger Spielgrenzen aufgebracht wird, und wobei ein bei der Aufbringung der Drehmomente zurückgelegter Drehwinkel ermittelt wird. Auf diese Weise kann die Lose bzw. das Spiel innerhalb der elektrifizierten Antriebsanordnung während der Startphase ermittelt werden und die Antriebsanordnung kann in eine Position gebracht werden, in der innerhalb derselben kein Spiel mehr vorhanden ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Überprüfung des in einer solchen elektrifizierten Antriebsanordnung eingesetzten Elektromotors durchgeführt werden, indem bei einer Erhöhung des Drehwinkels bei aufeinanderfolgenden Messungen ein Fehler des Elektromotors der elektrifizierten Antriebsanordnung detektiert wird.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
1 eine erste beispielhafte Anordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann;
2 eine zweite beispielhafte Anordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann;
3 ein Diagramm, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren verdeutlicht;
4 ein Diagramm, das eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren verdeutlicht; und
5 ein Diagramm, das eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren verdeutlicht.
1 zeigt eine Antriebsanordnung 1, die beispielsweise in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Die Antriebsanordnung 1 weist im vorliegenden Fall eine Elektromaschine bzw. einen Elektromotor 2 auf, der über eine Motorausgangswelle 3 mit einem Getriebe 4 verbunden ist. Die Motorausgangswelle 3 kann daher auch als Getriebeeingangswelle bezeichnet werden. Von dem Getriebe 4 geht eine Getriebeausgangswelle 5 aus und ist über eine elastische Seitenwelle 6 mit einem Antriebsrad bzw. angetriebenen Rad 7 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. Bei der Antriebsanordnung 1 handelt es sich um ein schwach gedämpftes, schwingungsfähiges System. Die in dem Ausführungsbeispiel von 1 dargestellte Antriebsanordnung 1 ist dabei als Einzelradantrieb ausgeführt, das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch für andere Antriebsanordnungen geeignet. Insbesondere sollte herausgestellt werden, dass es sich statt um den Elektromotor 2 auch um eine andere Antriebsquelle, wie zum Beispiel ein verbrennungsmotorisches, hydraulisches und/oder pneumatisches Antriebs- bzw. Übertragungselement handeln könnte.
Die Antriebsanordnung 1 kann mehrere Sensoren aufweisen, die bestimmte Signale ausgeben und nachfolgend als Geber bezeichnet werden. Nicht alle dieser Geber sind in den Figuren dargestellt. Ein erster Geber 8 ist im Bereich der Motorausgangswelle 3, also zwischen dem Elektromotor 2 und dem Getriebe 4 angeordnet. Ein zweiter Geber 9 ist der elastischen Seitenwelle 6 zugeordnet und befindet sich damit zwischen dem Getriebe 4 und dem Rad 7. Nachfolgend wird die Auswertung der diskreten Signale unter anderem der Geber 8 und 9 zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten innerhalb der Antriebsanordnung 1 beschrieben. Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren können Kräfte und/oder Drehmomente zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen, beispielsweise zwischen der Motorausgangswelle 3 und der elastischen Seitenwelle 6, oder zwischen zwei Bereichen eines elastisch verformbaren Elements, beispielsweise der elastischen Seitenwelle 6, ermittelt bzw. quantifiziert werden. Die gering auflösenden Geber 8 und 9 sowie weitere, nicht dargestellte Geber, geben zeit- und/oder wertdiskrete Signale aus. Weitere Geber können beispielsweise den weiteren, nicht dargestellten Rädern des Fahrzeugs zugeordnet sein, wobei sich aufgrund der beispielsweise in Kurvenfahrten unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeit der Räder unterschiedliche Abstände der Signale ergeben. Diese zeit- und/oder wertdiskreten Signale der Geber 8, 9 werden, wie nachfolgend beschrieben, auf einen gemeinsamen zeitlichen Bezugspunkt bzw. Rekonstruktionszeitpunkt synchronisiert. Bevorzugt wird dabei als gemeinsamer zeitlicher Bezugspunkt ein Zeitpunkt in der unmittelbaren Vergangenheit gewählt, nach dem die Geber 8 und 9 sowie weitere Geber der Antriebsanordnung 1 ein Signal beziehungsweise eine Signaländerung ausgegeben haben. Die von den Gebern 8, 9 ausgegebenen Signale können als Werte in einem nicht dargestellten Steuergerät gespeichert werden. Mit der Angabe ”Zeitpunkt in der unmittelbaren Vergangenheit” ist vorzugsweise ein Zeitpunkt gemeint, der einen möglichst kurzen Zeitraum in der Vergangenheit liegt. Bevorzugt wird ein Wert, der eine Information über Richtung und Betrag der Bewegung enthält, zusammen mit dem Zeitpunkt der Änderung des diskreten Signals des Gebers in einem Datensatz gespeichert. Es ist auch möglich bzw. im vorliegenden Fall vorgesehen, die von den Gebern erhaltenen Werte in mehreren Steuergeräten auszuwerten, wobei, wie zu einem späteren Zeitpunkt beschrieben, die Zeitbasis der Steuergeräte synchronisiert wird. Dadurch ergibt sich eine gewisse Redundanz der ermittelten Werte, sodass Fehler mit größerer Sicherheit ausgeschlossen werden können. Dabei kann auch eine Vergleichseinrichtung vorgesehen sein, die die Ergebnisse in den beiden Steuergeräten vergleicht und, falls diese nicht übereinstimmen, Gegenmaßnahmen veranlasst.
Sämtliche Geber der Antriebsanordnung 1 können sich grundsätzlich an den unterschiedlichsten Stellen innerhalb der Antriebsanordnung 1 befinden, wobei vorzugsweise bereits vorhandene Sensoren, wie zum Beispiel ABS-Sensoren, genutzt werden können. Solche ABS-Sensoren, die beispielsweise nach dem Magnetoresistivprinzip funktionieren können und aktiv mit Spannung versorgt werden, liefern bei sehr geringen Geschwindigkeiten bis annähernd zum Stillstand verwertbare Ausgangssignale. Bei der Auswertung werden die Signale von wenigstens zwei, jeweils einem der Elemente 3, 6 oder zwei voneinander beabstandeten Bereichen des elastisch verformbaren Elements 6 zugeordneten Gebern 8, 9 ausgewertet. In der dargestellten Ausführungsform der Antriebsanordnung 1 werden die Kräfte und/oder Drehmomente aus Relativbewegungen der Motorausgangswelle 3 und der elastischen Seitenwelle 6 bzw. aus einer Torsion der elastischen Seitenwelle 6 ermittelt. Grundsätzlich kann das Verfahren bei solchen Gebern 8, 9 eingesetzt werden, die entweder eine Lageänderung, also eine Linearbewegung, oder eine Drehwinkeländerung, also eine Rotationsbewegung, erfassen.
Zwischen dem Elektromotor 2 und dem von demselben angetriebenen Rad 7 können sich mehrere Verbindungselemente befinden, wobei zumindest eines der Verbindungselemente als elastisches bzw. nachgiebiges Verbindungselement ausgeführt ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Verbindungselement um eine tordierende Welle, einen Riemen, eine Verzahnungsstufe, eine Kupplung, einen Torsionsdämpfer, ein Zweimassenschwungrad oder eine Strömungskupplung handeln. Bei einem idealen Getriebe 4, also einem spielfreien und keine Elastizitäten aufweisenden Getriebe, kann der Drehwinkel φ₂ des Elektromotors 2 unter Berücksichtigung der Übersetzung i_G des Getriebes 4 auf den Drehwinkel φ₅ der Getriebeausgangswelle 5 umgerechnet werden. Der relative Verdrehwinkel φ₆ der elastischen Seitenwelle 6 ergibt sich aus der Differenz des Drehwinkels der Getriebeausgangswelle 5 und des Drehwinkels φ₇ des Rads 7. Der einfacheren Darstellung halber wird nachfolgend von einem in 2 schematisch dargestellten Direktantrieb der Antriebsanordnung 1 ausgegangen, d. h. der Elektromotor 2 ist über die elastische Seitenwelle 6 direkt mit dem Rad 7 gekoppelt. Die Torsion der elastischen Seitenwelle 6 kann dann aus dem Relativverdrehwinkel φ₆ der elastischen Seitenwelle 6, d. h. der Differenz zwischen dem Drehwinkel φ₂ des Elektromotors 2 und dem Drehwinkel φ₇ des Rads 7 ermittelt werden. Gegebenenfalls müssen Lose bzw. Spiel innerhalb der Antriebsanordnung 1 berücksichtigt werden.
Dem Elektromotor 2 sind weitere, nicht dargestellte Geber zugeordnet, die auf Lageebene den Drehwinkel φ₂ des ebenfalls nicht dargestellten Rotors des Elektromotors 2 mit einer hohen Genauigkeit auflösen können. Die Auflösung des Drehwinkels φ₇ des Rads 7 beträgt in Abhängigkeit vom Auswerteverfahren beispielweise 3,6–4,5 Winkelgrad.
Während des Betriebs der Antriebsanordnung 1 kommt es zu den unterschiedlichsten Betriebszuständen. Hierbei sind solche Betriebszustände, bei denen mindestens einer der inkrementellen Geber 8, 9 keine Veränderung des von ihm ausgegebenen diskreten Gebersignals aufweist, kritisch zu betrachten und die Bestimmung des Relativverdrehwinkels φ₆ der elastischen Seitenwelle 6 aus den diskreten Gebersignalen kann in diesen Betriebszuständen nur mit geringer Genauigkeit erfolgen. Unter anderem handelt es sich bei Anfahrvorgängen um solche Betriebszustände, für die eine alternative Strategie zur Bestimmung des Relativverdrehwinkels φ₆ entwickelt werden sollte Insbesondere der Relativverdrehwinkel φ_6,v0 der elastischen Seitenwelle 6 des stehenden Fahrzeugs ist wichtig, da diesem unter Berücksichtigung der Lose des Antriebsstrangs bzw. der Antriebsanordnung 1 eine Torsion der elastischen Seitenwelle 6 und damit ein wirkendes Drehmoment eindeutig zugeordnet werden kann, beispielsweise ein nicht tordierter Zustand der elastischen Seitenwelle 6 bei momentenfreiem beziehungsweise deaktiviertem Elektromotor 2. Unmittelbar nachdem der Elektrornotor 2 ein Drehmoment erzeugt und der Rotor des Elektromotors 2 zu rotieren beginnt, steht das Fahrzeug weiterhin still. Es werden zunächst die nachgiebigen Wellen, unter anderem die Seitenwelle 6, elastisch tordiert, bevor sich das Fahrzeug in Bewegung setzt. Im ungünstigsten Fall muss sich das Rad 7 zunächst maximal um die vorhandene Quantisierungsgenauigkeit drehen, bevor vom entsprechenden Geber die Veränderung des Drehwinkels detektiert wird. Um die Zeitspanne, in der kein aktualisiertes diskretes Gebersignal für den Drehwinkel φ₇ des Rads 7 vorliegt, überbrücken zu können, kann eine softwarebasierte Routine, die auf dem Steuergerät des Fahrzeugs implementiert ist, genutzt werden. Beispielsweise kann es sich dabei um eine ”Kriechfunktion” handeln, die das Ankriechen eines konventionellen Automatikfahrzeugs simuliert und aus Komfortgründen in dem Steuergerät hinterlegt sein kann. Das Aktivieren der Kriechfunktion liefert ein definiertes Solldrehmoment des Elektromotors 2, welches bereits bei stehenden Rädern zu einer definierten Verdrehung des Rotors des Elektromotors 2 und somit zu einer Änderung des Drehwinkels φ₂ führt. Dadurch kann der zeitliche Verlauf sowie die Änderung des Drehwinkels φ₂ des Elektromotors 2 bei stehendem Fahrzeug mit betätigter Bremse gemessen werden, auf diese Weise ist das Spiel aus der Antriebsanordnung 1 herausgenommen. Dieser Zustand kann als Basis für die weiteren Berechnungen verwendet werden.
Unter der Annahme, dass sich zunächst nur die elastische Seitenwelle 6 tordiert, entspricht die Änderung des Drehwinkels φ₂ der Elektromaschine unter Berücksichtigung der Lose des Antriebsstrangs bzw. der Antriebsanordnung 1 einer Änderung des Relativverdrehwinkels φ₆ gegenüber dem Relatiwerdrehwinkel φ_6,v0 der elastischen Seitenwelle 6 des stehenden Fahrzeugs. Der eingeprägte Relativverdrehwinkel φ_6,v0 charakterisiert den Anfangszustand der Relativbewegung. Infolge der Relativverdrehung wird die Seitenwelle 6 vorgespannt. Der Relativverdrehwinkel φ₆ charakterisiert eine Reaktion auf das Kriechdrehmoment Dieser Zusammenhang wird genutzt, um kurz nach dem Anfahren des die Antriebsanordnung 1 aufweisenden Fahrzeugs, d. h. nach dem Lösen der Bremse, einen Schätzwert für den Relatiwerdrehwinkel φ₆ zu ermitteln. Dieser Schätzwert wird solange benutzt, bis nach dem Eintreffen der ersten zeitlichen Veränderung des diskreten Gebersignals des Rads 7 der tatsächliche Relativverdrehwinkel φ₆ der elastischen Seitenwelle 6 bekannt ist. Neben dem Kriechdrehmoment kann dabei ein weiterer Drehmomentanteil des Elektromotors 2, zum Beispiel infolge eines sich ändernden Fahrerwunschmomentes, ebenfalls berücksichtigt werden.
Um den Relativverdrehwinkel φ_6,v0 der elastischen Seitenwelle 6 während des Anfahrens auf alternative Weise zu bestimmen, wird exemplarisch zunächst ein Antriebsstrang betrachtet, dessen mindestens zwei Geber sich in unbekannter Lage zwischen zwei Zahnflanken befinden und über eine elastische Welle miteinander verbunden sind. Hierbei kann es sich um die Antriebsanordnung 1 gemäß 1 oder um die Antriebsanordnung 1 gemäß 2 handeln. Das Fehlen einer absoluten Position zu Beginn der Auswertungsroutine führt im Zusammenhang mit der Quantisierungsgenauigkeit des Gebers zu einer hohen Ungenauigkeit bei der Bestimmung des Relativverdrehwinkels φ_6,v0 während des Übergangs vom stehenden zum rotierenden System. Deshalb wird wie folgt vorgegangen: Unter der Annahme, dass die durch das Antriebsmoment hervorgerufene Winkelbeschleunigung α für kleine Zeitabschnitte annähernd konstant ist, kann die Anfangsposition des Gebers aus den gespeicherten Datensätzen ermittelt werden. Die Datensätze beinhalten beispielsweise die diskreten Drehwinkel φ₇ des Rads 7 sowie die Zeitpunkte der Veränderung. Dabei kann der Verlauf des zurückgelegten Drehwinkels zum Beispiel durch eine Parabelfunktion dargestellt werden. Für Drehbewegungen mit konstanter Winkelbeschleunigung kann allgemein die Winkelposition in Abhängigkeit von der Zeit nach der Formel φ_7(t) = φ_7,v0 + ½·α·(t – t₀)² berechnet werden. Dabei beschreibt φ_7,v0 die unbekannte Anfangslage des Gebers zum Zeitpunkt t = t₀, der den Übergang vom stehenden zum rotierenden System kennzeichnet.
Der Winkelverlauf für Drehbewegungen mit konstanter Winkelbeschleunigung ist in 3 dargestellt. Hierbei sind mit den unterschiedlichen Drehwinkeln φ_1,7, φ_2,7, φ_3,7 zu den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ aufeinanderfolgend gemessene Drehwinkel des Rads 7 angegeben. Die Anfangslage jedes Gebers wird mit den für die einzelnen Geber gespeicherten Datensätzen berechnet. Sofern die Anfangslage der mindestens zwei wert- und/oder zeitdiskreten Geber durch die analytische Funktion berechnet wurde, wird daraus bei spielfreien Antriebssträngen, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Getriebeübersetzung i_G, der zum Zeitpunkt t = t₀ gültige Relativverdrehwinkel φ_6,v0 ermittelt und die vorgeschlagene Auswerteroutine gestartet. Durch die Approximation der Anfangslagen der Drehwinkel φ_2,v0, φ_7,v0 wird die Genauigkeit der Auswerteroutine verbessert.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gilt die Annahme, dass die durch das Antriebsmoment hervorgerufene Winkelbeschleunigung α für kleine Zeitabschnitte annähernd konstant ist. Es sind auch andere Annahmen denkbar, beispielsweise dass sich das Antriebsmoment und damit die Winkelbeschleunigung linear über die Zeit ändert.
Die Berechnung der Anfangslage von wert- und/oder zeitdiskreten Gebern kann beispielsweise bei konventionellen Antriebssträngen mit Verbrennungsmotor wie vorgeschlagen erfolgen. Jedoch ist es nicht möglich, den Einfluss von Lose bzw. Spiel im Antriebsstrang, die die Bestimmung der Anfangslage verfälschen, zu berücksichtigen und die tatsächliche Größe der Lose im Antriebsstrang zu identifizieren. Anders als bei konventionellen Antriebssträngen kann dieser Nachteil bei elektrifizierten Antriebssträngen, wie dies bei der den Elektromotor 2 aufweisenden Antriebsanordnung 1 gemäß dem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist, behoben werden. Der Elektromotor 2 ist in seiner Leistungsabgabe grundsätzlich nicht an die Drehrichtung gebunden, was dazu genutzt wird, um Lose bzw. Spiel innerhalb der Antriebsanordnung 1 zu bestimmen. Dies wird wiederum exemplarisch anhand der elektrifizierten Antriebsanordnung 1, wie sie zum Beispiel in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingebaut sein kann, beschrieben. Die Bestimmung der Lose bzw. des Spiels erfolgt während der Startphase der elektrifizierten Antriebsanordnung 1. Typischerweise muss der Fahrer von Automatikfahrzeugen während des Starts die Fahrzeugbremse dauerhaft treten, um die Position des Wählhebels zu verändern. Die Übergangsphase, in der der Fahrerwunsch durch die Veränderung der Position des Wählhebels von P zu D signalisiert wird, soll in Elektrofahrzeugen für die Bestimmung der Größe von Lose bzw. Spiel genutzt werden. Die Vorgehensweise zur Messung der Lose bzw. des Spiels wird in 4 verdeutlicht. Während die Fahrzeugbremse dauerhaft getreten ist, liefert der Elektromotor 2 ein geringfügiges Drehmoment, das ausreichend groß ist, um die reibungsbedingten Verluste innerhalb der Antriebsanordnung 1 zu überwinden und die Motorausgangswelle 3 bzw. Getriebeeingangswelle sowie die elastische Seitenwelle 6 langsam zu beschleunigen, die beiden Wellen 3 und 6 jedoch nicht elastisch zu tordieren. Durch das Aufbringen eines betragsmäßig kleinen negativen Moments wird erreicht, dass alle drehbeweglichen Teile der Antriebsanordnung 1, die im direkten Kraftfluss stehen, innerhalb der fertigungsbedingten Lose bzw. Spiel verdreht werden. Das Verdrehen erfolgt bis zum Erreichen einer Spielgrenze, so dass zum Beispiel alle Zahnräder einseitig angelegt sind. Der Winkel der linksseitigen Grenze der Lose wird als φ_Lo,l bezeichnet. Dementsprechend wird der Winkel der rechtsseitigen Grenze der Lose mit φ_Lo,r bezeichnet. 4 zeigt dies auf schematische Weise. Ausgehend von einer beliebigen Winkelposition der Motorausgangswelle 3 bzw. Getriebeeingangswelle wird ein definiertes, betragsmäßig kleines, negatives Solldrehmoment aufgebracht. Das fertigungsbedingte Spiel innerhalb der Antriebsanordnung 1 wird bis zum Erreichen der Spielgrenze von φ_Lo,l überwunden. Für den Drehwinkel der Motorausgangswelle 3 bzw. Getriebeeingangswelle ergibt sich dadurch eine definierte Anfangslage, welche durch die hochauflösenden Drehgeber des Elektromotors 2 exakt gemessen werden kann. Um die rechtsseitige Grenze φ_Lo,r der Lose bzw. des Spiels zu erreichen, wird ein definiertes, kleines, positives Drehmoment aufgeprägt. Dadurch wurde die Antriebsanordnung 1 exakt innerhalb ihres fertigungsbedingten Spiels bewegt. Der zurückgelegte Drehwinkel, der aus der Differenz von φ_Lo,r und φ_Lo,l ermittelt werden kann, entspricht exakt der Lose bzw. des Spiels im Antriebsstrang. Die Antriebsanordnung kann auf diese Weise in eine Position gebracht werden, in der innerhalb derselben kein Spiel mehr vorhanden ist.
Da es sich bei der Lose bzw. dem Spiel innerhalb der Antriebsanordnung 1 um alterungsabhängige Größen handelt, ist es zu bevorzugen, die Lose bzw. das Spiel nicht nur einmalig während des Neuzustands, sondern bei jedem Start des Fahrzeugs zu bestimmen und zusätzlich bei jedem Start das Ergebnis für die Bestimmung der Lose bzw. des Spiels zu speichern. Neben dem Erhalt eines Indikators, der den aktuellen Verschleißzustand innerhalb der Antriebsanordnung 1 anzeigt, kann auf diese Weise eine einwandfreie Funktionalität des Elektromotors 2 überprüft werden. Im Prinzip ergibt sich dadurch eine Langzeitkontrolle der Antriebsanordnung 1, die den zeitlichen Verlauf des Verschleißes dokumentiert. Der Verschleiß ist die Größe, die das Maß der Lose bzw. des Spiels langfristig beeinflusst und damit eine Schadensvorhersage von Bauteilen sowie eine Vorhersage von Serviceintervallen ermöglicht.
Die oben beschriebene Bestimmung der Lose bzw. des Spiels innerhalb der Antriebsanordnung 1 kann also auch zur Überprüfung des Elektromotors 2 genutzt werden. Dabei ist es nachvollziehbar, dass sich die Größe der Lose bzw. das Spiel und das erforderliche Drehmoment zur Überwindung der reibungsbedingten Verluste nicht signifikant von einem zum anderen Tag ändern kann. Falls der zurückgelegte Drehwinkel, der aus der Differenz von φ_Lo,r und φ_Lo,l ermittelt wird, deutlich größer ausfällt als bei der vorhergehenden Messung, kann daraus geschlossen werden, dass der Elektromotor 2 das definierte, betragsmäßig kleine, negative bzw. positive Solldrehmoment nicht einhält. Da in diesem Fall der Elektromotor 2 ein betragsmäßig deutlich größeres Drehmoment zur Messung der Lose bzw. des Spiels aufbringt, kann von einem Fehler des Elektromotors 2 ausgegangen werden. Aufgrund des relativ großen Gefährdungspotenzials, welches von Elektromotoren bzw. Elektromaschinen bei Fehlern in der Leistungselektronik ausgeht, sind entsprechende Früherkennungsstrategien, die auf Fehler in der Leistungselektronik hindeuten, sehr vorteilhaft.
Der Ablauf zur Bestimmung der Lose bzw. des Spiels erfolgt unabhängig von der Bestimmung der Anfangslage φ_v0 der Geber. Für Elektrofahrzeuge gelten die gleichen Bedingungen wie für konventionelle Antriebsstränge, so dass die eingangs beschriebene Berechnung von φ_v0 ebenfalls gültig ist. Somit kann die Messung der Lose bzw. des Spiels mit der Berechnung von φ_v0 kombiniert werden, um die Ergebnisse für die Ermittlung des Relativverdrehwinkels φ_6,v0 heranzuziehen.
Der Antriebsstrang kann vor dem Anfahren des Fahrzeuges an eine Grenze der Lose bzw. Spielgrenze gebracht werden, so dass zum Beispiel alle Zahnräder einseitig angelegt sind. Durch einen vorangegangenen Bremsvorgang oder beim Anhalten an einem Gefälle kann sich bei stehendem Fahrzeug eine Verspannung von Elastizitäten in der Radaufhängung beziehungsweise der Reifenumfangssteifigkeit ergeben. Dies führt beim Lösen der Fahrzeugbremse zu einer geringfügige Änderung des Drehwinkels des Rads 7. Vorteilhaft wird der Antriebsstrang vor dem Anfahren des Fahrzeuges an diejenige Spielgrenze gebracht, die zu einer Reaktion des Elektromotors 2 infolge der geringfügigen Änderung des Drehwinkels des Rads 7 führt und mit dem hochauflösenden Drehgeber des Elektromotors 2 exakt gemessen werden kann. Unter Berücksichtigung des Übertragungsverhaltens des Antriebsstrangs kann daraus die geringfügigen Änderung des Drehwinkels des Rads 7 berechnet werden. Damit lassen sich die Anfangslage φ_7,v0 des Rades 7 und der Relativverdrehwinkel φ_6,v0 noch genauer bestimmen.
Auf diese Weise ist es also möglich, den unbekannten Relativverdrehwinkel φ_6,v0 der elastischen Seitenwelle 6 während des Anfahrens des Fahrzeugs zu bestimmen und damit den Ruhezustand der Antriebsanordnung 1 festzustellen. Auf diesem Ruhezustand bzw. Nullpunkt können dann die weiteren Berechnungen basieren. Zur Feststellung des Ruhezustands der Antriebsanordnung 1 kann auch, ausgehend von einem ermittelten Wert, eine Extrapolation auf den Ruhezustand eingesetzt werden.
Nachfolgend werden, unter Bezugnahme auf 5, die weiterführenden Berechnungsschritte zur Ermittlung der Kräfte und/oder Drehmomente zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen der Antriebsanordnung 1, im vorliegenden Fall zwischen der Motorausgangswelle 3 und der elastischen Seitenwelle 6 beschrieben. Diese werden vorzugsweise sequentiell auf die folgende Art und Weise durchlaufen. Der diskrete Drehwinkel φ₂ des Elektromotors 2 sowie der diskrete Drehwinkel φ₇ des Rads 7 werden vor und/oder nach ihrer Änderung zusammen mit der Information über den Zeitpunkt der Änderung in Datensätzen gespeichert. Der Zeitpunkt der Änderung wird im Ausführungsbeispiel absolut bestimmt. Die Auswertung bezogen auf eine relative Zeit zwischen den einzelnen Flanken oder eine zum aktuellen Berechnungszeitpunkt relative Zeit wäre ebenfalls denkbar. Die Sortierung der Datensätze erfolgt anhand der Zeitpunkte der Änderungen (t_1,2 ... t_n,2, t_1,7 ... t_n,7), beginnend mit dem Eintreffen des ersten Ereignisses. Basierend auf den Datensätzen erfolgt die Rekonstruktion des Drehwinkels φ₂ des Elektromotors 2 sowie des Drehwinkels φ₇ des Rads 7 bezogen auf den Rekonstruktionszeitpunkt, was als ”Resampling” bezeichnet werden kann.
Aus den Zeitpunkten der Änderung der diskreten Gebersignale wird eine Zeitspanne, in der der Rekonstruktionszeitpunkt liegen kann, bestimmt. Diese Zeitspanne wird durch eine untere Zeitschranke T_U und eine obere Zeitschranke T_O begrenzt. Man ermittelt jeweils aus den Datensätzen des Elektromotors 2 und aus den Datensätzen des Rads 7 den ältesten zur Verfügung stehenden Zeitpunkt der Veränderung des diskreten Gebersignals (t_min,2, t_min,7) und wählt den aktuelleren der beiden Werte. Dieser Zeitpunkt entspricht der zeitlichen unteren Schranke T_U = max(t_min,2, t_min,7). Nahezu analog erfolgt die Bestimmung der zeitlichen oberen Schranke T_O = min(t_max,2, t_max,7). Das Minimum der am wenigsten weit zurückliegenden Zeitpunkte der Änderung in den Datensätzen des Elektromotors 2 und in den Datensätzen des Rads 7 charakterisiert die zeitlich obere Schranke T_O. Die Differenz aus oberer und unterer Zeitschranke entspricht einer gültigen Zeitspanne für den Rekonstruktionszeitpunkt.
Diese Zeitspanne enthält die Schnittmenge aller zulässigen Rekonstruktionszeitpunkte, für die eine Interpolation der diskreten Gebersignale möglich ist. Es ist erforderlich, einen diskreten Rekonstruktionszeitpunkt aus der Schnittmenge zu wählen. Deshalb werden zulässige diskrete Schrittweiten Δt_RP zwischen den einzelnen Rekonstruktionszeitpunkten festgelegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schrittweiten Δt_RP und damit der zulässige Abstand zwischen zwei Rekonstruktionszeitpunkten auf 10, 25, 50 und 100 Millisekunden beschränkt. Hieraus wird die jeweils geeignete Schrittweite ausgewählt.
Im Anschluss an die Festlegung des Rekonstruktionszeitpunktes werden aus den Datensätzen der diskreten Gebersignale die jeweils direkt benachbarten zeitlichen Stützstellen t_i-1 und t_i des Rekonstruktionszeitpunktes ermittelt und mit den dazugehörigen diskreten Drehwinkeln für die Weiterverarbeitung extrahiert. Mit den Stützstellen für den Elektromotor 2 und das Rad 7 werden jeweils eindeutig definierte Zeitspannen gekennzeichnet, wie dies in 5 erkennbar ist. Die Zeitspanne mit den Stützstellen t_i-1 und t_i umschließt den Rekonstruktionszeitpunkt.
Als nächstes wird der Drehwinkel φ_RP bezogen auf den Rekonstruktionszeitpunkt t_RP ermittelt. Zur Approximation zwischen zwei diskreten Drehwinkeln wird beispielsweise linear interpoliert, um innerhalb der Quantisierungsgenauigkeit aufzulösen. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer Regressionsanalyse, beispielsweise nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate. Polynome höherer Ordnung können den tatsächlichen Verlauf des Drehwinkels besser approximieren. Die Ordnung des Approximationspolynoms hängt signifikant von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Stützstellen ab.
Die Interpolation zur Bestimmung des Drehwinkels bezogen auf den Rekonstruktionszeitpunkt wird jeweils für das diskrete Gebersignal des Rads 7 und des Elektromotors 2 durchgeführt. Der gemeinsame Rekonstruktionszeitpunkt gestattet es im Anschluss, den rekonstruierten Relativverdrehwinkel φ_rel,RP aus der Differenz des interpolierten Drehwinkels der Elektromaschine φ_RP,2 und des Rads φ_RP,7 zu berechnen: φ_rel,RP = φ_RP,2 – φ_RP,7
Der Relativverdrehwinkel φ_rel,RP, gegebenenfalls um Lose bzw. Spiel innerhalb der Antriebsanordnung 1 und um den Relativverdrehwinkel φ_6,v0 korrigiert, multipliziert mit der Torsionssteifigkeit der elastischen Seitenwelle 6 ergibt das zum Rekonstruktionszeitpunkt wirkende Drehmoment. Es wird also die Federsteifigkeit des elastischen Elements verwendet, um das Drehmoment zu berechnen. Dieses Drehmoment wird durch ein übergeordnetes Steuergerät überwacht und limitiert. Bei zu grollen Abweichungen von der Vorgabe bzw. vom Fahrerwunsch erfolgt eine Fehlerreaktion als Gegenmaßnahme, beispielsweise eine Abschaltung des Elektromotors 2 oder die Beeinflussung der weiteren Einzelradantriebe, um die Fahrstabilität zu gewährleisten.
Für eine Umrechnung mehrerer Signale auf den Rekonstruktionszeitpunkt wird eine gemeinsame Zeitbasis zur Erfassung der Datensätze erzeugt. Mit anderen Worten, die Informationen über die Zeitpunkte der Änderungen der Gebersignale in den einzelnen Datensätzen sollten sich vorzugsweise auf eine gemeinsame Zeitbasis beziehen. Während bei aus dem Stand der Technik bekannten Antriebssystemen die Erfassung der Datensätze oft in mehreren Steuergeräten erfolgt, wird für das hierin beschriebene Verfahren eine zeitliche Synchronisation der an der Erfassung der Datensätze beteiligten, in den Figuren nicht dargestellten Steuergeräte vorgeschlagen, d. h. die Zeitbasis der Steuergeräte wird vorzugsweise synchronisiert. Beispielsweise kann ein Elektrofahrzeug ein eigenständiges Elektromotorsteuergerät aufweisen, während die Raddrehzahlen von einem unabhängigen ESP-Steuergerät verarbeitet werden. Die Datensätze der Steuergeräte können anschließend zur Auswertung an eines der erfassenden Steuergeräte oder an ein übergeordnetes Hauptsteuergerät weitergeleitet werden.
Das oben beschriebene Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten innerhalb der Antriebsanordnung 1 kann ebenso bei einem sogenannten Zentralantrieb eingesetzt werden. Bei diesem wirkt eine Antriebsmaschine, beispielsweise ein Verbrennungsmotor oder eine Elektromaschine, über ein oder mehrere Getriebe und ein oder mehrere Differentiale auf die Antriebsräder. Im Falle einer angetriebenen Achse mit einer Elektromaschine, einem Getriebe, einem Achsdifferential und zwei Antriebsrädern lässt sich der Relativverdrehwinkel φ_rel aus dem Drehwinkel der Elektromaschine φ₂, der Gesamtübersetzung i_ges des Antriebssystems und den Drehwinkeln φ_7A und φ_7B der beiden Räder 7 wie folgt bestimmen: φ_rel = φ₂/i_ges – (φ_7A + φ_7B)/2
Mit dem Relativverdrehwinkel φ_rel, gegebenenfalls korrigiert um Lose bzw. Spiel innerhalb der Antriebsanordnung 1, und den Elastizitäten innerhalb der Antriebsanordnung 1 lassen sich die wirkenden Antriebsdrehmomente bestimmen. Bei Sperrdifferentialen sind eventuell noch die Drehzahlverhältnisse einzubeziehen. Das hierin beschriebene Verfahren kann dazu auf drei oder mehrere Geber erweitert werden, indem der Drehwinkel φ₂ des Elektromotors 2 und die Drehwinkel φ_7A und φ_7B der beiden Räder 7 zur Bestimmung des Relativverdrehwinkels φ_rel auf einen gemeinsamen Rekonstruktionszeitpunkt umgerechnet werden.
Auch beim Einsatz von hochauflösenden Gebersystemen, wie zum Beispiel einem dem Elektromotor 2 zugeordneten Resolver, kann das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden. Typischerweise erfolgt die Auswertung des Resolvers in einer Folgeelektronik, welche in Anlehnung an einen Inkrementalgeber durch äquidistante Erfassung einen zeitdiskreten Drehwinkel φ₂ des Elektromotors 2 ermittelt. Dazu werden Werte des zeitdiskreten Drehwinkel φ₂ des Elektromotors 2 zusammen mit den zugehörigen Zeitpunkten der Erfassung bzw. einzelner Abtastungen in einzelnen Datensätzen abgespeichert.
Die Güte des Gebersignals ist maßgeblich dafür entscheidend, ob es vorteilhaft sein kann, die Datensätze vor der Weiterverarbeitung aufzubereiten. Dabei können geeignete Routinen zur Filterung oder zur Datenkomprimierung angewandt werden. Systematische Fehler, die zum Beispiel durch herstellungsbedingte Toleranzen des Geberrads hervorgerufen werden, werden durch eine Geberradadaption eliminiert. Abweichungen, die eindeutig einzelnen Zahnflanken des Geberrads zuzuordnen sind, werden durch eine Fehlerkorrektur kompensiert und damit die Messgenauigkeit verbessert.
Um fehlerhafte Gebersignale, beispielsweise das Fehlen eines Zahnflankenimpulses zu erkennen, kann eine Plausibilisierung anhand der zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge erfolgen. Beispielsweise unter Berücksichtigung, dass die Raddrehbeschleunigung aufgrund der Radträgheit begrenzt ist und Raddrehzahlen unterschiedlicher Räder über die Fahrdynamik miteinander gekoppelt sind. Anhand der physikalischen Zusammenhänge kann eine Korrektur des Gebersignals erfolgen, gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines aus elektrischen Größen ermittelten Drehmomentes des Elektromotors 2.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren wird also aus einem Verdrehwinkel der beiden zueinander beweglichen Elemente und/oder aus einer Torsion des elastischen Elements ein Drehmoment berechnet, wobei diskrete Drehwinkelinformationen mit der möglichen Quantisierungsgenauigkeit implementiert werden. Des Weiteren ist es auch möglich, aus einer Lageänderung der beiden zueinander beweglichen Elemente ein Drehmoment bzw. eine Kraft zu berechnen.
Das Verfahren ermittelt also Relativbewegungen von mindestens zwei elastisch gekoppelten Antriebselementen, wobei als Relativbewegung ein Relativverdrehwinkel, eine relative Verschiebung und/oder deren zeitliche Ableitungen aufgefasst werden. Dabei kann auch eine Drehmomentbeeinflussung ΔM mindestens eines Aggregates basierend auf der ermittelten Relativbewegung zur aktiven Schwingungsdämpfung durchgeführt werden. Die mit dem beschriebenen Verfahren ermittelte Relativbewegung bezieht sich auf den in der Vergangenheit liegenden Rekonstruktionszeitpunkt. Daher kann die zeitliche Differenz Δt_M = t – t_RP zwischen dem aktuellen Zeitpunkt t und dem Rekonstuktionszeitpunkt t_RP bei der Drehmomentbeeinflussung berücksichtigt werden. Im Falle des Direktantriebs aus dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird beispielsweise ein zusätzliches schwingungsdämpfendes Elektromaschinenmoment ΔM_EM aus dem Relatiwerdrehwinkel φ_rel bzw. dessen zeitlichen Ableitungen wie folgt berechnet ΔM_EM = –k₁dφ_rel/dt – k₂d²φ_rel/dt²
Die Faktoren k₁ und k₂ können mit Hilfe von abgespeicherten Kennlinien aus der zeitlichen Differenz Δt_M ermittelt werden.
In dem oben beschriebenen Verfahren kann zusätzlich ein dynamisches Antriebsstrangmodell bzw. ein Beobachtermodell eingesetzt werden. Bei einer solchen Vorgehensweise kann ein Modell mit den tatsächlichen Vorgängen im Antriebsstrang, insbesondere den dort herrschenden Drehmomenten, verglichen werden, um mögliche Fehler innerhalb des Antriebsstrangs festzustellen. Das Modell kann zu bestimmten zyklischen Zeitpunkten berechnet werden. Durch eine solche Rechenvorschrift, die in einem Steuergerät zeitdiskret berechnet wird, kann sich ein weiterer Schätzwert für den Relativverdrehwinkel ergeben. Dazu werden unterschiedliche zeitdiskrete Zustandsraumbeschreibungen desselben dynamischen Modells für die unterschiedlichen zulässigen Schrittweiten im Steuergerät hinterlegt. Die zulässigen Schrittweiten entsprechen den zulässigen Abständen zwischen zwei Rekonstruktionszeitpunkten, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel 10, 25, 50 und 100 Millisekunden betragen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen (3, 6) oder zwischen zwei Bereichen eines elastisch verformbaren Elements (6), wobei zeit- und/oder wertdiskrete Signale von wenigstens zwei, jeweils einem der Elemente (3, 6) oder zwei voneinander beabstandeten Bereichen des elastisch verformbaren Elements (6) zugeordneten Gebern (8, 9) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zeit- und/oder wertdiskreten Signale der Geber (8, 9) auf einen gemeinsamen zeitlichen Bezugspunkt synchronisiert werden, und dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen liegende Werte der Geber (8, 9) mittels Interpolation und/oder Extrapolation und/oder einer Ausgleichsrechnung ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen hegenden Werte der Geber (8, 9) mittels einer linearen Interpolation ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen liegenden Werte der Geber (8, 9) mittels einer Regression mit einem Polynom höherer Ordnung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Gebern (8, 9) ausgegebenen Signale als Werte in wenigstens einem Steuergerät gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Signal eines Gebers (8, 9) wenigstens zwei Datensätze abgespeichert werden, die unterschiedliche Zeitpunkte der Änderung des diskreten Signals des Gebers (8, 9) enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Gebern (8, 9) ausgegebenen Werte in mehreren Steuergeräten ausgewertet werden, wobei die Zeitbasis der Steuergeräte synchronisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beobachtermodell eingesetzt wird, das in einem Steuergerät zeitdiskret berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem eine Antriebsanordnung (1) aufweisenden Fahrzeug eingesetzt wird, wobei ein zeitlicher Verlauf und eine Änderung eines Drehwinkels (φ₂) einer Antriebseinrichtung der Antriebsanordnung (1) bei stehendem Fahrzeug mit betätigter Bremse gemessen werden, und wobei nach dem Lösen der Bremse ein relativer Verdrehwinkel (φ₆) eines elastisch verformbaren Elements (6) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem eine elektrifizierte Antriebsanordnung (1) aufweisenden Fahrzeug eingesetzt wird, wobei die Anfangsposition wenigstens eines der Geber (8, 9) aus gespeicherten Datensätzen ermittelt wird, wobei aufeinanderfolgend ein negatives und ein positives Drehmoment zum Verdrehen von drehbeweglichen, im direkten Kraftfluss stehenden Teilen der Antriebsanordnung (1) bis zum Erreichen jeweiliger Spielgrenzen aufgebracht wird, und wobei ein bei der Aufbringung der Drehmomente zurückgelegter Drehwinkel ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erhöhung des Drehwinkels bei aufeinanderfolgenden Messungen ein Fehler eines Elektromotors (2) der elektrifizierten Antriebsanordnung (1) detektiert wird.