DE102016212175A1

DE102016212175A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Ansteuerung einer Position eines elektrisch-kommutierbaren Elektromotors, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102016212175A1
Application number: DE102016212175.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Dietrich; Martin Zimmermann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-11
Also published as: CN107749724A; CN107749724B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Ansteuerung einer Position eines elektrisch-kommutierbaren Elektromotors, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges, bei welchem eine Position eines Rotors des Elektromotors (14) von einer außerhalb einer Drehachse des Elektromotors (14) an einem Stator (17) angeordneten Sensorik (16) abgenommen wird, wobei das von der Sensorik (16) abgenommene Positionssignal ausgewertet wird und der Elektromotor (14) nacheinander mit einer Sinusansteuerung und einer Blockansteuerung beaufschlagt wird. Bei einem Verfahren, bei welchem bei allen Drehzahlsignalen eine ausreichende Genauigkeit für die Positionsbestimmung des Elektromotors erzielt wird, werden während der Sinusansteuerung zwei analoge Magnetfeldsensoren (21, 22) verwendet, wobei die Position des Rotors aus einem linearisierten Bereich des Positionssignals, das von einem der beiden Magnetfeldsensoren (21, 22) abgegeben wird, abgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Ansteuerung einer Position eines elektrisch-kommutierbaren Elektromotors, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges, bei welchem eine Position eines Rotors des Elektromotors von einer außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an einem Stator angeordneten Sensorik abgenommen wird, wobei das von der Sensorik abgenommene Positionssignal ausgewertet wird und der Elektromotor nacheinander mit einer Sinusansteuerung und einer Blockansteuerung beaufschlagt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In modernen Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, werden zunehmend automatisierte Kupplungen eingesetzt. Die dabei verwendeten Kupplungen sind in hydraulischen Kupplungssystemen eingesetzt, bei welchen ein elektrohydraulischer Aktor, der von einem elektrisch-kommutierten Elektromotor angetrieben wird, über eine Hydraulikleitung mit der Kupplung verbunden ist.
Um den Fahrkomfort im Fahrzeug zu verbessern, muss die von einer Sensorik gemessene Position des Rotors mit der von dem Rotor des Elektromotors gewünschten Position abgeglichen werden. Üblicherweise wird die Rotorlage anhand von drei versetzt zueinander geschalteten Magnetfeldschaltern in Form von drei Hall-Sensoren erfasst.
Insbesondere bei Elektromotoren, bei welchen die Sensoren außerhalb der Drehachse des Elektromotors angeordnet sind, ist eine hohe Positionsauflösung notwendig. Der Rotor des Elektromotors weist dabei nur eine begrenzte Anzahl von Polpaaren auf, aus welchen eine vorgegebene Anzahl von Flanken der Magnetfeldschalter zur Positionsbestimmung genutzt werden. Es gibt Fälle, wo zur Gewährleistung der Gesamtsystemfunktion, also der Positionsbestimmung und gleichzeitiger Ansteuerung des Elektromotors, eine Auflösung gefordert ist, die die Anzahl der Flanken, die durch die Magnetfeldschalter bereitgestellt werden, bei weitem überschreiten, was insbesondere bei hochdynamisch betriebenen Elektromotoren auftritt.
Aus der DE 10 2013 205 905 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Ansteuerung einer Position eines Elektromotors bekannt, wo aufgrund der von der Sensorik während der Blockansteuerung erfassten festen Positionen ein während der Sinusansteuerung ausgegebenes Positionssignal in beliebig viele Zwischenpositionen zwischen den von der Blockansteuerung erzeugten Positionen zerlegt werden kann, welche zur Ansteuerung des Elektromotors genutzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrisch-kommutierten Elektromotors anzugeben, bei welchem der Stand der Technik weiter verbessert wird.
Erfindungsgemäß werden während der Sinusansteuerung zwei analoge Magnetfeldsensoren verwendet, wobei die Position des Rotors aus einem linearisierten Bereich des Positionssignals, das von einem der beiden analogen Magnetfeldsensoren abgegeben wird, abgeleitet wird. Durch die Verwendung von zwei analoge Magnetfeldsensoren lassen sich mehrere Positionssignale zwischen den durch die Blockansteuerung erzeugten Positionssignalen besonders kostengünstig und einfach erzeugen, so dass die Auflösung trotz begrenzter Anzahl von Polpaaren des Rotors weiter erhöht werden kann.
Vorteilhafterweise wird der linearisierte Bereich des Positionssignals jedes analogen Magnetfeldsensors durch jeweils zwei Umschaltpunkte der bei der Blockkommutierung schaltenden digitalen Magnetfeldschalter bestimmt. Aufgrund der Verwendung der zwei analogen Magnetfeldsensoren muss bloß entschieden werden, welcher analoge Magnetfeldsensor gerade in einem linearen Bereich arbeitet, wobei dieser lineare Bereich für die Auswertung des Positionssignals des Rotors durch die Auswerteeinheit genutzt wird. Somit lässt sich genau bestimmen, wann welcher analoge Magnetfeldsensor verwendet werden kann.
In einer Ausgestaltung erfolgt eine Kommutierung des Elektromotors mit den von den analogen Magnetfeldsensoren abgeleiteten Positionssignalen unter einer vorgegebenen Drehzahlschwelle des Elektromotors. Da insbesondere bei langsamen Drehzahlen des Rotors die Positionsgenauigkeit über die zusätzlichen Informationen der analogen Magnetfeldsensoren erreicht wird, werden diese nur unterhalb der vorgegebenen Drehzahlschwelle ausgewertet. Je geringer die Drehzahl ist, desto weniger wirkt sich eine Verzögerung auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung aus.
In einer Variante weist die Drehzahlschwelle eine Hysterese auf, wobei ein erster Schwellwert zur Umschaltung der Auswertung der Position des Rotors von den Positionssignalen der digitalen Magnetfeldschalter auf die Positionssignale der analogen Magnetfeldsensoren höher ist als ein zweiter Schwellwert zur Umschaltung der Auswertung der Position des Rotors von den Positionssignalen der analogen Magnetfeldsensoren zu den Positionssignalen der digitalen Magnetfeldschalter. Somit wird sichergestellt, dass bei hoher Drehzahl, wo eine so hohe Genauigkeit nicht benötigt wird, die digitalen Magnetfeldschalter benutzt werden, deren Signale schnell und störsicher zu der entfernt angeordneten Auswerteeinheit übertragen werden können, während die Auswertung der Positionssignale der analogen Magnetfeldsensoren nur dann erfolgt, wenn eine hohe Genauigkeit erforderlich ist.
Vorteilhafterweise wird ein Magnetfeldverlauf trapezförmig gewählt. Dieser trapezförmige Verlauf ist ideal für die Erfassung des linearen Bereiches des Positionssignales des analogen Magnetfeldsensors zwischen zwei Umschaltpunkten eines digitalen Magnetfeldschalters. In einer Alternative wird der Magnetfeldverlauf sinusförmig gewählt. Somit kann zur Auswertung des Positionssignals der analogen Magnetfeldsensoren eine arctan2-Funktion zwischen zwei Umschaltpunkten verwendet werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Ansteuerung einer Position eines elektrisch-kommutierbaren Elektromotors, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges, bei welcher ein Rotor des Elektromotors eine fest vorgegebene Anzahl von Polpaaren aufweist, die abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtung magnetisiert sind und mit einem Stator über einen Luftspalt zusammenwirken, wobei an einem Stator ein Positionssignal mittels einer außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an dem Stator angeordneten Sensorik abgenommen wird, wobei die Sensorik drei digitale Magnetfeldschalter zur Bestimmung der Position des Rotors aufweist. Bei einer Vorrichtung, bei welcher eine konstruktiv einfache Lösung bei Erzielung einer hohen Genauigkeit der Positionssignale erreicht wird, sind zwischen den drei digitalen Magnetfeldschaltern mindestens zwei analoge Magnetfeldsensoren angeordnet, deren Positionssignale durch eine Auswerteeinheit mittels der in einer Blockansteuerung der drei digitalen Magnetfeldschalter erfassten Positionssignale plausibilisiert werden.
Vorteilhafterweise sind die mindestens zwei analogen Magnetfeldsensoren um 90° elektrisch geometrisch versetzt zueinander am Stator angeordnet, wobei zwischen den beiden Magnetfeldsensoren ein digitaler Magnetfeldschalter positioniert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Positionssignale der beiden analogen Magnetfeldsensoren genau ausgewertet und plausibilisiert werden können.
In einer Ausgestaltung sind die drei digitalen Magnetfeldschalter im Abstand von 120° elektrisch am Stator ausgerichtet. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass die Schaltflanken der Magnetfeldsensoren in einem gleichmäßigen Abstand erfolgen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Kupplungsbetätigungssystems zur Betätigung einer automatisierten Reibungskupplung,
2 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung der Magnetfeldsensoren an einem Stator,
3 ein Ausführungsbeispiel für einen Verlauf der Positionssignale der analogen und digitalen Magnetfeldsensoren.
In 1 ist ein Kupplungsbetätigungssystem 1 für eine automatisierte Kupplung vereinfacht dargestellt. Das Kupplungsbetätigungssystem 1 ist in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges einer Reibungskupplung 2 zugeordnet und umfasst einen Geberzylinder 3, der über eine auch als Druckleitung bezeichnete Hydraulikleitung 4 mit einem Nehmerzylinder 5 verbunden ist. In dem Nehmerzylinder 5 ist ein Nehmerkolben 6 hin und her bewegbar, der über ein Betätigungsorgan 7 und unter Zwischenschaltung eines Lagers 8 die Reibungskupplung 2 betätigt.
Der Geberzylinder 3 ist über eine Verbindungsöffnung mit einem Ausgleichsbehälter 9 verbindbar. In dem Geberzylinder 3 ist ein Geberkolben 10 bewegbar. Von dem Geberkolben 10 geht eine Kolbenstange 11 aus, die in Längsrichtung zusammen mit dem Geberkolben 10 translatorisch bewegbar ist. Die Kolbenstange 11 des Geberzylinders 3 ist über eine Gewindespindel 12 mit einem elektromotorischen Stellantrieb 13 gekoppelt. Der elektromotorische Stellantrieb 13 umfasst einen als kommutierten Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotor 14 und eine Auswerteeinheit 15. Die Gewindespindel 12 setzt eine Drehbewegung des Elektromotors 14 in eine Längsbewegung der Kolbenstange 11 bzw. des Geberzylinderkolbens 10 um. Die Reibungskupplung 2 wird durch den Elektromotor 14, die Gewindespindel 12, den Geberzylinder 3 und den Nehmerzylinder 5 automatisiert betätigt.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Anordnung der Sensorik 16 an einem Stator 17 des Elektromotors 14 dargestellt. Dabei liegt diese Sensorik 16 einem nicht weiter dargestellten Sensorring gegenüber, der beispielsweise elf Magnetpole N, S aufweist, die über 360° verteilt sind und welche 22 Polübergänge besitzen, die als Schaltpositionen für drei als Hall-Schalter ausgebildete digitale Magnetfeldschalter 18, 19, 20 dienen, wodurch 66 Schaltflanken an die Auswerteeinheit 15 ausgegeben werden. Die digitalen Magnetfeldschalter 18, 19, 20 sind jeweils um 120° elektrisch zueinander versetzt. Zwischen jeweils zwei der digitalen Magnetfeldschalter 18, 19, 20 ist jeweils ein analoger Magnetfelssensor 21, 22, beispielsweise ein Hal-Sensor, angeordnet. Die analogen Magnetfeldsensoren 21, 22 sind zueinander um 90° elektrisch versetzt angeordnet. Die digitalen Magnetfeldschalter 18, 19, 20 bzw. die analogen Magnetfeldsensoren 22, 23 wirken dabei mit den Magnetpolen des Rotorrings zusammen. Zur Bestimmung der Relativposition zwischen dem Rotor des Elektromotors 14 und dem Stator 17 sowie zur Steuerung der Kommutierung der Wicklung des Elektromotors 14 in Abhängigkeit von der gemessenen Relativposition sind die Magnetfeldschalter 18, 19, 20 und die analogen Magnetfeldsensoren 21, 22 mit Messsignaleingängen der Auswerteeinheit 15 verbunden.
Der Elektromotor 14 wird nun drehzahlabhängig angesteuert. Bei hohen Drehzahlen, welche beispielsweise zwischen 200 bis 300 Umdrehungen/Minute liegen, wird der Elektromotor 14 von der Auswerteeinheit 15 mittels einer direkten Blockansteuerung, welche auch als Blockkommutierung bezeichnet wird, angesteuert. Unter einer solchen Blockansteuerung wird verstanden, dass der Elektromotor 14, welcher über drei Phasen U, V, W verfügt, so angesteuert wird, dass immer eine Phase U, V, W stromlos ist, während die anderen beiden Phasen U, V, W bestromt werden.
Während dieser Blockansteuerung werden von der Auswerteeinheit 15 die durch die digitalen Magnetfeldschalter 18, 19, 20 erzeugten Umschaltpunkte K1, K2, K3, K4, K5, K6 hinsichtlich der Position des Rotors gegenüber dem Stator 17 detektiert. In einem weiteren Schritt wird der Elektromotor 14 mit einer Drehzahl angesteuert, welche kleiner als 300 Umdrehungen/Minute ist. Bei dieser Drehzahl erfolgt eine Sinusansteuerung der Phasen U, V, W des Elektromotors 14.
Wie in 3 dargestellt, liefern die beiden analogen Magnetfeldsensoren 21, 22 zwei Positionssignale, die sinusförmig verlaufen, aber um 90° versetzt sind. Um festzustellen, welches Positionssignal von welchem analogen Magnetfeldsensor 21, 22 das richtige zur Auswertung der Position des Rotors ist, wird ein linearer Bereich des Positionssignals der analogen Magnetfeldsensoren 21, 22 genutzt. Dieser lineare Bereich wird mit Hilfe der Umschaltpunkte K1, K2, K3, K4, K5, K6 der digitalen Magnetfeldschalter 18, 19, 20 identifiziert. So wird beispielsweise eine Umschaltung von High auf Low des zweiten digitalen Magnetfeldsensors 19 betrachtet, welche zwischen den Blöcken 0 und 1 liegt. Der Umschaltpunkt K1 schneidet dabei die Sinussignale der analogen Magnetfeldsensoren 21, 22. Das Positionssignal des zweiten analogen Magnetfeldsensors 22 befindet sich bei dieser Umschaltung im Block 1 gerade in einem Plateau, während das Positionssignal des ersten analogen Magnetfeldsensors 21 innerhalb des Blocks 1 linear verläuft. Gleiches erfolgt entsprechend bei der Umschaltung des Positionssignals des ersten digitalen Magnetfeldschalters 18 im Umschaltpunkt K2, welcher am Abschluss des Blocks 1 von Low auf High schaltet. Auch hier ist das Positionssignal des ersten analogen Magnetfeldsensors 21 in einem linearen Bereich, während die Messpunkte des zweiten analogen Magnetfeldsensors 22 sich noch im Plateau befinden. Diese Betrachtung wird ebenfalls bei der Umschaltung des zweiten digitalen Magnetfeldschalters 19 im Umschaltpunkt K4 von Low auf High bzw. des ersten digitalen Magnetfeldschalters 18 im Umschaltpunkt K5 von High auf Low durchgeführt.
Es ist festzustellen, dass das aktuelle Positionssignal der analogen Magnetfeldsensoren 21, 22 zum Zeitpunkt der Änderung der Positionssignale der digitalen Magnetfeldschalter 18, 19, 20 block- und drehrichtungsabhängig bestimmt werden. Daraus ist eine Berechnung der aktuellen Winkelposition P_ber für den absoluten elektrischen Winkel des Rotorsignals in Abhängigkeit der beschriebenen Bestimmung der Positionssignale der digitalen Magnetfeldschalter 18, 19, 20 als auch den analogen Magnetfeldsensoren 21, 22 möglich. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Genauigkeit bei der Positionsbestimmung des Rotors gegenüber dem Stator 17.
Die Schaltgrenze der Drehzahl, bei welcher zwischen der Auswertung der Positionssignale der digitalen Magnetfeldschalter 18, 19, 20 und der analogen Magnetfeldsensoren 21, 22 umgeschaltet wird, ist als Hysterese ausgebildet. Eine Umschaltung von der analogen Positionsbestimmung auf die digitale Positionsbestimmung erfolgt dabei bei einer Drehzahl des Elektromotors 14 von 250 bis 300 Umdrehungen/Minute. In der Gegenrichtung wird aber bereits bei einer Umdrehung von 450 bis 500 Umdrehungen/Minute von der digitalen Positionsbestimmung auf die analoge Positionsbestimmung umgeschaltet.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsbetätigungssystem
2: Reibungskupplung
3: Geberzylinder
4: Hydraulikleitung
5: Nehmerzylinder
6: Nehmerkolben
7: Betätigungsorgan
8: Lager
9: Ausgleichsbehälter
10: Geberkolben
11: Kolbenstange
12: Gewindespindel
13: Stellantrieb
14: Elektromotor
15: Auswerteeinheit
16: Sensorik
17: Stator
18: Magnetfeldschalter
19: Magnetfeldschalter
20: Magnetfeldschalter
21: Magnetfeldsensor
22: Magnetfeldsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013205905 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Bestimmung und/oder Ansteuerung einer Position eines elektrisch-kommutierbaren Elektromotors, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges, bei welchem eine Position eines Rotors des Elektromotors (14) von einer außerhalb einer Drehachse des Elektromotors (14) an einem Stator (17) angeordneten Sensorik (16) abgenommen wird, wobei das von der Sensorik (16) abgenommene Positionssignal ausgewertet wird und der Elektromotor (14) nacheinander mit einer Sinusansteuerung und einer Blockansteuerung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Sinusansteuerung zwei analoge Magnetfeldsensoren (21, 22) verwendet werden, wobei die Position des Rotors aus einem linearisierten Bereich des Positionssignals, das von einem der beiden Magnetfeldsensoren (21, 22) abgegeben wird, abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der linearisierte Bereich des Positionssignals jedes analogen Magnetfeldsensors (21, 22) durch jeweils zwei Umschaltpunkte von bei der Blockkommutierung schaltenden digitalen Magnetfeldschaltern (18, 19, 20) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommutierung des Elektromotors (14) mit den von den analogen Magnetfeldsensoren (21, 22) abgeleiteten Positionssignalen unterhalb einer vorgegebenen Drehzahlschwelle des Elektromotors (14) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlschwelle eine Hysterese aufweist, wobei ein erster Schwellwert zur Umschaltung der Auswertung der Position des Rotors von den Positionssignalen der digitalen Magnetfeldschalter (18, 19, 20) auf die Positionssignale der analogen Magnetfeldsensoren (21, 22) höher ist als ein zweiter Schwellschwert zur Umschaltung der Auswertung der Position des Rotors aus den Positionssignalen der analogen Magnetfeldsensoren (21, 22) zu den Positionssignalen der digitalen Magnetfeldschalter (18, 19, 20).
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldverlauf trapezförmig gewählt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldverlauf sinusförmig gewählt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Ansteuerung einer Position eines elektrisch-kommutierbaren Elektromotors, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges, bei welcher ein Rotor des Elektromotors (14) eine fest vorgegebene Anzahl von Polpaaren aufweist, die abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtung magnetisiert sind und mit einem Stator (17) über einen Luftspalt zusammenwirken, wobei an dem Stator (17) ein Positionssignal mittels einer außerhalb einer Drehachse des Elektromotors (14) an dem Stator (17) angeordneten Sensorik (16) abgenommen wird, wobei die Sensorik (16) drei digitale Magnetfeldschalter (18, 19, 20) zur Bestimmung der Position des Rotors aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den drei digitalen Magnetfeldschaltern (18, 19, 20) mindestens zwei analoge Magnetfeldsensoren (21, 22) angeordnet sind, deren Positionssignale durch eine Auswerteeinheit (15) mittels der in einer Blockansteuerung der drei digitalen Magnetfeldsensoren (18, 19, 20) erfassten Positionssignale plausibilisiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei analogen Magnetfeldsensoren (21, 22) um 90° elektrisch geometrisch versetzt zueinander am Stator (17) angeordnet sind, wobei zwischen den beiden Magnetfeldsensoren (21, 22) ein digitaler Magnetfeldschalter (18, 19, 20) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die drei digitalen Magnetfeldschalter (18, 19, 20) im Abstand von 120° elektrisch am Stator (17) ausgerichtet sind.