DE102016221459A1 - Method for determining a rotational angle position of a crankshaft of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition (α,α) einer Welle (17), insbesondere einer Kurbelwelle (17') einer Brennkraftmaschine (112), welche mit einer elektrischen Maschine (30), umfassend einen Rotor (32) und einen Stator (33), mit zumindest einer Phasenwicklung (U, V, W), direkt oder übersetzt gekoppelt ist, wobei zumindest ein Phasensignal (U, U, U, I, I, I) der elektrischen Maschine (30) zumindest einen Wert (W, W, W, W, W, W) aufweist, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors (32) auftritt, wobei ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts (W, W, W, W, W, W), zur Bestimmung einer Drehwinkellage (α) des Rotors (32) genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelposition (α,α) der Welle aus der Drehwinkellage (α) des Rotors (32) und einem Winkelversatz (ϑ) berechnet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Recheneinheit, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining a rotational angle position (α, α) of a shaft (17), in particular of a crankshaft (17 ') of an internal combustion engine (112), comprising an electric machine (30) comprising a rotor (32) and a Stator (33), with at least one phase winding (U, V, W) is coupled directly or translated, wherein at least one phase signal (U, U, U, I, I, I) of the electric machine (30) at least one value ( W, W, W, W, W, W) which occurs in each case at least once per revolution of the rotor (32), wherein an occurrence time of at least one value (W, W, W, W, W), for determining a Rotation angle position (α) of the rotor (32) is used, characterized in that the rotational angular position (α, α) of the shaft from the rotational angular position (α) of the rotor (32) and an angular displacement (θ) is calculated. Furthermore, the invention relates to a corresponding arithmetic unit, which is set up to carry out the method, and to a computer program for carrying out the method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Kurbelwelle, welche mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator mit zumindest einer Phasenwicklung, direkt oder übersetzt gekoppelt ist.The present invention relates to a method for determining a rotational angular position of a crankshaft, which is coupled to an electric machine, comprising a rotor and a stator with at least one phase winding, directly or translated.
Stand der TechnikState of the art
Die Drehwinkelposition und die Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sind wesentliche Eingangsgrößen für viele Funktionen der elektronischen Motorsteuerung. Zu ihrer Ermittlung, können auf einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine rotierenden Körper in gleichen Winkelabständen Markierungen vorgesehen sein. Das Vorbeistreichen einer Markierung infolge der Kurbelwellendrehung, kann durch einen Sensor erfasst und als elektrisches Signal an eine Auswertelektronik weitergegeben werden.The rotational angular position and the rotational speed of the crankshaft of an internal combustion engine are essential input variables for many functions of the electronic engine control. For their determination, marks may be provided on a body rotating with the crankshaft of the internal combustion engine at equal angular intervals. The passing of a mark as a result of the crankshaft rotation, can be detected by a sensor and passed as an electrical signal to an evaluation electronics.
Diese Elektronik bestimmt für die jeweilige Drehwinkelposition der Kurbelwelle, das jeweils hierfür hinterlegte Signal für die Markierung bzw. misst eine Zeitdifferenz zwischen zwei Markierungen und kann aufgrund des bekannten Winkelabstands zweier Markierungen zueinander, die Winkelgeschwindigkeit und daraus die Drehzahl ermitteln. Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Motorrädern, Mopeds oder Krafträdern, können die Markierungen beispielweise durch Zähne eines metallischen Zahnrads, eines sogenannten Geberrads, bereitgestellt werden, welche durch ihre Bewegung in dem Sensor eine Änderung des Magnetfelds bewirken. Eine Lücke von einigen Zähnen kann als Bezugsmarke zur Erkennung der absoluten Position dienen.For the respective rotational angle position of the crankshaft, this electronics determines the respective marked signal for the marking or measures a time difference between two markings and can determine the angular velocity and therefrom the rotational speed due to the known angular distance between two markings. In motor vehicles, in particular motorcycles, mopeds or motorcycles, the markings can be provided, for example, by teeth of a metal gear, a so-called donor wheel, which cause a change in the magnetic field as a result of their movement in the sensor. A gap of some teeth can serve as a reference mark for the detection of the absolute position.
Während bei Pkws zumeist 60-2 Zähne verwendet werden (gleichmäßige Verteilung von 60 Zähnen, wobei zwei ausgespart bleiben), kommt bei Motor- bzw. Krafträdern beispielweise auch 36-2, 24-2 oder 12-3 Zähne zum Einsatz. Bei diesem indirekten Prinzip der Drehgeschwindigkeitsbestimmung bzw. Drehwinkelpositionsbestimmung der Kurbelwelle, wird die Auflösung des Drehzahlsignals bzw. die absolute Erfassung der Drehwinkelposition durch die Anzahl der Zähne und durch eine sichere Erkennung der Bezugsmarke bestimmt.While cars usually use 60-2 teeth (uniform distribution of 60 teeth, with two left out), motorcycles and motorcycles, for example, 36-2, 24-2 or 12-3 teeth are used. In this indirect principle of the rotational speed determination or rotational angular position determination of the crankshaft, the resolution of the rotational speed signal or the absolute detection of the rotational angular position is determined by the number of teeth and by a reliable detection of the reference mark.
Bei jedem modernen Fahrzeug mit Brennkraftmaschine, ist ein Generator verbaut, der durch die Drehung der Kurbelwelle angetrieben wird und elektrische Signale liefert, die zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und dem Aufladen der Fahrzeugbatterie dienen. Der vorgesehene Betrieb eines Fahrzeugs ohne diesen Generator, ist nicht oder nur für kurze Zeit möglich.In any modern vehicle with internal combustion engine, a generator is installed, which is driven by the rotation of the crankshaft and provides electrical signals that are used to supply the vehicle with electrical energy and charging the vehicle battery. The intended operation of a vehicle without this generator, is not possible or only for a short time.
Eine Nutzung der elektrischen Ausgangsgrößen einer über die Kurbelwelle angetriebenen elektrischen Maschine (Generator), wird beispielweise in der
Es wäre daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, auch ohne den Einsatz zusätzlicher Bauteile eine hochaufgelöste Drehwinkelposition des Rotors der elektrischen Maschine bzw. der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, die zur Steuerung einer Brennkraftmaschine verwendbar ist, zu erhalten.It would therefore be desirable to provide a possibility, even without the use of additional components, a high-resolution rotational angular position of the rotor of the electric machine or the crankshaft of the internal combustion engine, which is used to control an internal combustion engine to obtain.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method with the features of
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Bei einem Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Welle, vorzugsweise einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftrades, welche mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator mit zumindest einer Phasenwicklung direkt oder übersetzt, jedoch mit fester Winkelrelation zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, gekoppelt ist, wird aus zumindest einem Phasensignal der elektrischen Maschine, das zumindest einen Wert aufweist, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors der elektrischen Maschine auftritt, zur Bestimmung der Drehwinkellage des Rotors genutzt, wobei die Drehwinkelposition der Kurbelwelle aus der Drehwinkellage des Rotors und einem weiteren Winkelversatz berechnet wird. Grundsätzlich kann die Welle auch die Welle des Rotors sein, die mit dem Rotor drehfest gekoppelt ist.In a method for determining a rotational angular position of a shaft, preferably a crankshaft of an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine of a motorcycle, which with an electric machine comprising a rotor and a stator with at least one phase winding directly or translated, but with a fixed angular relation between the rotor electric machine and the crankshaft of the internal combustion engine, is at least one phase signal of the electric machine having at least one value, each at least once per revolution of the rotor electrical machine occurs, used to determine the rotational angular position of the rotor, wherein the rotational angular position of the crankshaft is calculated from the rotational angular position of the rotor and a further angular offset. In principle, the shaft can also be the shaft of the rotor, which is rotatably coupled to the rotor.
Aufgrund der festen Kopplung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und des Rotors der elektrischen Maschine, kann bei Kenntnis der Drehwinkellage des Rotors auf die Drehwinkelposition der Kurbelwelle rückgeschlossen werden. Die exakte Drehwinkellage des Rotors ist aus einer unbelasteten elektrischen Maschine direkt aus der Leerlaufspannung der elektrischen Maschine ablesbar, da die relative Phasenlage der Leerlaufspannung mit der Drehwinkellage des Rotors übereinstimmt.Due to the fixed coupling of the crankshaft of the internal combustion engine and the rotor of the electric machine, the rotational angle position of the crankshaft can be deduced when the rotational angular position of the rotor is known. The exact rotational position of the rotor is read from an unloaded electrical machine directly from the open circuit voltage of the electric machine, since the relative phase position of the open circuit voltage coincides with the rotational angular position of the rotor.
Diese Relation gilt jedoch für eine belastete elektrische Maschine nicht, da es aufgrund des Stromflusses zu einer Verschiebung der Phasenlage kommt und entsprechend die Ausgangsspannung der elektrischen Maschine, die der Phasenspannung zumindest einer Phase der elektrischen Maschine entspricht, nicht mehr mit der der Drehwinkellage des Rotors übereinstimmt. Dieser Versatz der Winkellage zwischen der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine und der tatsächlichen Winkellage des Rotors der elektrischen Maschine, wird gemeinhin als Polradwinkel bezeichnet.However, this relation does not apply to a loaded electric machine, since due to the current flow, the phase position is shifted and, correspondingly, the output voltage of the electrical machine, which corresponds to the phase voltage of at least one phase of the electrical machine, no longer coincides with the rotational angular position of the rotor , This offset of the angular position between the output voltage of the electric machine and the actual angular position of the rotor of the electric machine is commonly referred to as the pole wheel angle.
Somit kann durch eine Bestimmung der Drehwinkellage des Rotors und durch eine entsprechende Korrektur der Drehwinkellage durch den Winkelversatz des Polradwinkels eine Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle mit verbesserter Genauigkeit und somit höherer Güte bereitgestellt werden.Thus, by determining the rotational angular position of the rotor and by a corresponding correction of the rotational angular position by the angular offset of the Polradwinkels a determination of the rotational angular position of the crankshaft with improved accuracy and thus higher quality can be provided.
Folglich lässt sich direkt aus den internen Signalen der elektrischen Maschine, eine hochaufgelöste Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle bereitstellen, wodurch auf ein entsprechendes Geberrad zur Ermittlung der Drehwinkelposition bzw. der Drehzahl und der hiermit verbundenen Sensorik verzichtet werden kann. Hierdurch können Kosten eingespart werden, was insbesondere in Bezug auf günstigere Mopeds bzw. Leichtkrafträder von Vorteil ist. Zudem können die Steuerfunktionen, wie z. B. die Positionsberechnung der Einspritzung, Momentenberechnung bzw. Lernfunktionen zum genauen Bestimmen der OT-Lage und dergleichen, deutlich verbessert werden.Consequently, directly from the internal signals of the electric machine, a high-resolution determination of the rotational angle position of the crankshaft can be provided, which makes it possible to dispense with a corresponding transmitter wheel for determining the rotational angle position or rotational speed and the sensor system connected thereto. As a result, costs can be saved, which is particularly advantageous in terms of cheaper mopeds or light motorcycles. In addition, the control functions, such. As the position calculation of the injection, torque calculation or learning functions for accurately determining the TDC position and the like, can be significantly improved.
Die Phasensignale können auf verschiedene Weise gewonnen werden. Möglich ist beispielsweise eine Betrachtung der Phasenspannungen gegeneinander, eine Betrachtung der Phasenspannungen über die Dioden eines angeschlossenen Gleichrichters gegen dessen Potential der Ausgangsklemmen, sofern der Stator der elektrischen Maschine in Sternschaltung mit abgreifbarem Sternpunkt ist, eine Betrachtung der Ausgangsspannung der Stränge gegen den Sternpunkt oder eine vergleichbare Auswertung der Phasenströme.The phase signals can be obtained in various ways. Possible, for example, a consideration of the phase voltages against each other, a consideration of the phase voltages across the diodes of a connected rectifier against the potential of the output terminals, if the stator of the electric machine in star connection with tappable star point, a consideration of the output voltage of the strands against the neutral point or a comparable Evaluation of the phase currents.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, weisen die Werte aufsteigende Flanken des Phasensignals und abfallende Flanken des Phasensignals auf, bzw. sind entsprechend mit den aufsteigenden Flanken des Phasensignals und den abfallenden Flanken des Phasensignals korreliert, wobei die aufsteigenden Flanken des Phasensignals und/oder die abfallenden Flanken des Phasensignals zur Bestimmung der Drehwinkellage des Rotors herangezogen werden. Derartige Flanken des Phasensignals können grundsätzlich für eine besonders einfache Ermittlung des Auftretens eines charakteristischen Werts bzw. einer Schwelle des Phasensignals herangezogen werden, da diese besonders einfach im Verlauf eines Phasensignals mittels einer entsprechenden Schaltung erkennbar sind. Eine derartige Schaltung kann insbesondere in Form eines sogenannten Schmitt-Triggers ermittelt werden. Somit begrenzen eine aufsteigende Flanke und eine absteigende Flanke eines der Phasensignale einen Winkelbereich des Rotors, der von diesem innerhalb eines Zeitbereichs überstrichen wird. Dieser Winkelbereich bzw. dieses Winkelinkrement kann daher beim Erkennen einer aufsteigenden und/oder einer abfallenden Flanke des Phasensignals erkannt werden. Durch ein Heranziehen sowohl einer aufsteigenden Flanke und einer abfallenden Flanke desselben Phasensignals und/oder von aufsteigenden Flanken und/oder abfallenden Flanken unterschiedlicher Phasensignale, insbesondere direkt zeitlich benachbarter Phasensignale, kann die Genauigkeit einer Drehwinkelpositionsbestimmung der Kurbelwelle entsprechend erhöht werden. Es ist weiter bevorzugt, dass für eine Ermittlung der Drehwinkelposition sowohl zumindest eines der Phasenspannungssignale der statorseitigen Phasen bzw. zumindest ein Phasenstromsignal herangezogen werden können.In a further preferred embodiment of the invention, the values have rising edges of the phase signal and falling edges of the phase signal, or are correspondingly correlated with the rising edges of the phase signal and the falling edges of the phase signal, wherein the rising edges of the phase signal and / or the falling edges of the phase signal are used to determine the angular position of the rotor. Such flanks of the phase signal can be used in principle for a particularly simple determination of the occurrence of a characteristic value or a threshold of the phase signal, since these are particularly easy to detect in the course of a phase signal by means of a corresponding circuit. Such a circuit can be determined in particular in the form of a so-called Schmitt trigger. Thus, a rising edge and a falling edge of one of the phase signals define an angular range of the rotor which is swept by it within a time range. This angle range or angle increment can therefore be detected upon detection of an ascending and / or a falling edge of the phase signal. By taking both a rising edge and a falling edge of the same phase signal and / or rising edges and / or falling edges of different phase signals, in particular directly adjacent temporal phase signals, the accuracy of a rotational angular position of the crankshaft can be increased accordingly. It is further preferred that at least one of the phase voltage signals of the stator-side phases or at least one phase-current signal can be used to determine the rotational-angle position.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Polradwinkel bedingte Winkelversatz anhand einer Relation ermittelt, die eine Konstante und eine inverse Proportionalität zur Drehzahl der elektrischen Maschine aufweist. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass die elektrische Maschine einen Regler zur Regelung der Bordnetzspannung, insbesondere der Batteriespannung, aufweist, wobei der Regler derart betrieben wird, dass der Winkelversatz stets invers proportional zur Drehzahl der elektrischen Maschine ist. Ein derartiger Regler, insbesondere ein Spannungsregler für eine Batterie, der zur Batterie parallel geschaltet sein kann, wird hierbei insbesondere im linearen Arbeitsbereich geregelt. Hierfür kann beispielsweise ein Stellglied, insbesondere ein Leistungstransistor verwendet werden, der im Triodenbereich arbeitet.In a further preferred embodiment of the invention, the pole wheel angle angle offset is determined by a relation which has a constant and an inverse proportionality to the rotational speed of the electric machine. In this case, it is particularly preferred that the electric machine has a controller for regulating the vehicle electrical system voltage, in particular the battery voltage, wherein the controller is operated such that the angular offset is always inversely proportional to the rotational speed of the electric machine. Such a regulator, in particular a voltage regulator for a battery which is parallel to the battery can be switched, this is regulated in particular in the linear workspace. For this purpose, for example, an actuator, in particular a power transistor can be used which operates in the triode region.
Durch eine derartige Regelung kann eine Ausgangsspannung (gleichgerichtete Phasenspannungen) bereitgestellt werden, die nahezu konstant in Bezug auf die Batteriespannung bzw. die Spannung des Bordnetzes eingeregelt wird. Der Winkelversatz zwischen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom am Gleichrichter verschwindet in erster Näherung, da der den Phasen nachgeordnete Gleichrichter in Kombination mit einem größeren Energiespeicher im Bordnetz, z.B. einer Kfz-Batterie, näherungsweise als ohmsche Last wirkt. Somit kann gewährleistet werden, dass der Winkelversatz bzw. der Polradwinkel durch eine Konstante und einen Term, der invers proportional zur Drehzahl der elektrischen Maschine ist, angenähert werden kann. Hierdurch ergibt sich eine deutlich vereinfachte Ermittlung des Winkelversatzes bzw. des Polradwinkels, was eine noch genauere Ermittlung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle zulässt.By such a control, an output voltage (rectified phase voltages) can be provided, which is adjusted almost constant with respect to the battery voltage or the voltage of the electrical system. The angular offset between the output voltage and the output current at the rectifier disappears in a first approximation, since the phase-rectified rectifier in combination with a larger energy storage in the electrical system, e.g. a car battery, acts approximately as an ohmic load. Thus, it can be ensured that the angular offset or the rotor angle can be approximated by a constant and a term which is inversely proportional to the rotational speed of the electric machine. This results in a significantly simplified determination of the angular offset or the Polradwinkels, which allows an even more accurate determination of the rotational angular position of the crankshaft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wird die Drehzahl der elektrischen Maschine aus einer Zeitdifferenz zwischen zumindest zwei der Auftrittszeitpunkte der Werte des Phasensignals bestimmt.In a further preferred embodiment of the method, the rotational speed of the electric machine is determined from a time difference between at least two of the occurrence times of the values of the phase signal.
Auf diese Weise kann auf besonders einfache Art und Weise ohne die Verwendung zusätzlicher Sensoren und eines Geberrads, die Drehzahl direkt aus den Phasensignalen der elektrischen Maschine bestimmt werden, die ohnehin vorhanden sind.In this way, in a particularly simple manner without the use of additional sensors and a sensor wheel, the speed can be determined directly from the phase signals of the electric machine, which are present anyway.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wird die Drehwinkelposition der Kurbelwelle durch Addition der Drehwinkellage des Rotors und des Winkelversatzes berechnet.In a further preferred embodiment of the method, the rotational angular position of the crankshaft is calculated by adding the rotational angular position of the rotor and the angular offset.
Auf diese Weise kann besonders einfach die tatsächliche Drehwinkelposition der Kurbelwelle, durch eine einfache Ermittlung der Drehwinkellage des Rotors aus den Phasensignalen und dem auf die zuvor beschriebene Weise ermittelten Winkelversatz bzw. den Polradwinkel, berechnet werden, ohne das hierfür die Verwendung weiterer Sensoren bzw. die Verwendung eines Geberrads erforderlich ist.In this way, the actual rotational angular position of the crankshaft, by a simple determination of the rotational angular position of the rotor from the phase signals and the angular displacement or the Polradwinkel determined in the manner described above, can be calculated in a particularly simple manner, without the use of additional sensors or sensors Use of a sensor wheel is required.
Dies ist insbesondere bei Verfahren für Krafträder, insbesondere kostengünstigen Klein-und/oder Leichtkrafträdern, von Vorteil, da dort zum Teil kein Geberrad vorhanden ist oder ein Geberrad grundsätzlich eine unzureichende Genauigkeit aufweist. Zum anderen kann mit Hilfe der Erfindung auch auf ein Geberrad verzichtet werden, was einen entsprechenden Kostenvorteil mit sich bringt.This is particularly advantageous in the case of methods for motorcycles, in particular cost-effective small and / or light motorcycles, since in some cases no encoder wheel is present or a transmitter wheel generally has an insufficient accuracy. On the other hand can be dispensed with a donor wheel with the help of the invention, which brings a corresponding cost advantage.
Alternativ kann jedoch auch eine vorhandene Drehwinkelpositionsmessung mittels eines Geberrads und eines Sensors unterstützt werden und die Auflösung entsprechend verbessert werden.Alternatively, however, an existing rotational angle position measurement by means of a transmitter wheel and a sensor can be supported and the resolution can be correspondingly improved.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wird das Phasensignal (UU, UV, UW, IU, IV, IW) durch mehrere magnetische Erreger der elektrischen Maschine (30) erzeugt, wobei einer der magnetischen Erreger derart von den restlichen Erregern abweichend betrieben wird, dass das von diesem einen Erreger erzeugte Phasensignal (UU, UV, UW, IU, IV, IW) einen von den sonstigen Phasensignalen der sonstigen Erregen abweichenden Wert annimmt. Dies ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine feste Referenzposition festlegbar ist, um die Drehwinkellage des Rotors und daraus die Drehwinkelposition der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu bestimmen.In a further preferred embodiment of the method, the phase signal (U U , U V , U W , I U , I V , I W ) is generated by a plurality of magnetic exciters of the electric machine (30), wherein one of the magnetic exciter of the operated residual excitation that the phase signal generated by this one exciter (U U , U V , U W , I U , I V , I W ) assumes a value deviating from the other phase signals of the other excitation value. This is particularly advantageous since a fixed reference position can thereby be determined in order to determine the rotational angle position of the rotor and, therefrom, the rotational angular position of the crankshaft of the internal combustion engine.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, werden die Phasensignale der elektrischen Maschine mittels einer elektronischen Schaltung, insbesondere einem Motorsteuergerät verarbeitet. Dies ist besonders vorteilhaft, da für die exakte Drehwinkelpositionsbestimmung der Kurbelwelle kein weiteres Steuergerät implementiert werden muss, wobei auf Ressourcen zurückgegriffen werden kann, die ohnehin bereits vorhanden sind.In a further preferred embodiment of the invention, the phase signals of the electric machine are processed by means of an electronic circuit, in particular an engine control unit. This is particularly advantageous because no further control unit has to be implemented for the exact angular position determination of the crankshaft, it being possible to use resources which already exist anyway.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Drehwinkelposition der Kurbelwelle zur Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet. Eine Erfassung und Verarbeitung der Phasensignale der elektrischen Maschine durch das Motorsteuergerät, und eine entsprechende Ermittlung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle aus der Drehwinkellage des Rotors und dem Winkelversatz, kann entsprechend zur Steuerung der Zündzeitpunkte bzw. des Moments der Brennkraftmaschine im Steuergerät der Brennkraftmaschine herangezogen werden, das die Brennkraftmaschine ohnehin steuert. Somit kann sowohl die Steuerung der Brennkraftmaschine, als auch eine verbesserte Ermittlung der Drehwinkellage der Kurbelwelle im Motorsteuergerät zusammengefasst werden, wodurch sich weitere Synergieeffekte ergeben. Hierfür weist die verwendete Recheneinheit, die vorzugsweise als Motorsteuergerät für die Brennkraftmaschine ausgebildet ist, eine entsprechende integrierte Schaltung und/oder einen auf einem Speicher gespeichertes Computerprogramm auf, die zur Durchführung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte eingerichtet sind.In a further preferred embodiment of the method, the rotational angle position of the crankshaft is used to control the internal combustion engine. A detection and processing of the phase signals of the electric machine by the engine control unit, and a corresponding determination of the rotational angular position of the crankshaft from the rotational angular position of the rotor and the angular displacement, can be used in accordance with the control of the ignition timing or the torque of the internal combustion engine in the control unit of the internal combustion engine controls the engine anyway. Thus, both the control of the internal combustion engine, as well as an improved determination of the angular position of the crankshaft in the engine control unit can be summarized, resulting in further synergy effects. For this purpose, the computing unit used, which is preferably designed as an engine control unit for the internal combustion engine is, a corresponding integrated circuit and / or stored on a memory computer program, which are adapted to carry out the method steps described above.
Die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das vorzugsweise auf einem Datenträger, insbesondere einem Speicher in Form von Software gespeichert ist, und in der Recheneinheit zur Ausführung des Verfahrens zur Verfügung steht bzw. das Vorsehen einer integrierten Schaltung, insbesondere eines ASIC, ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondre dann, wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird, und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie sie vielfach aus dem Stand der Technik bekannt sind.The implementation of the method in the form of a computer program, which is preferably stored on a data medium, in particular a memory in the form of software, and is available in the arithmetic unit for executing the method or the provision of an integrated circuit, in particular an ASIC, is advantageous because this causes very low costs, esp. when an executive controller is still used for other tasks, and therefore exists anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, as are frequently known from the prior art.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Figurenlistelist of figures
-
1 zeigt schematisch ein Geberrad mit Sensor, insbesondere zur Drehzahlbestimmung gemäß dem Stand der Technik;1 schematically shows a sensor wheel with sensor, in particular for speed determination according to the prior art; -
2a bis c zeigen eine schematische Darstellung einer an eine Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (a, b), und die dazugehörigen Signalverläufe (c);2a to c show a schematic representation of a coupled to an internal combustion engine electric machine (a, b), and the associated waveforms (c); -
3 zeigt schematisch eine elektrische Maschine, mit den entsprechenden zugehörigen Phasensignalen;3 schematically shows an electric machine, with the corresponding associated phase signals; -
4a und4b zeigen mögliche Spannungsverläufe der Phasen einer dreiphasigen elektrischen Maschine;4a and4b show possible voltage curves of the phases of a three-phase electric machine; -
5a und5b zeigen ein einphasiges vereinfachtes Ersatzschaltbild einer elektrischen Maschine (a), sowie das dazugehörige Zeigerdiagramm der Phasenspannungsvektoren (b);5a and5b show a single-phase simplified equivalent circuit diagram of an electrical machine (a), and the associated phasor diagram of the phase voltage vectors (b); -
6 zeigt eine Reglerschaltung, die einem Gleichrichter einer elektrischen Maschine nachgelagert ist und zur Regelung der Batteriespannung eingerichtet ist, und6 shows a regulator circuit which is downstream of a rectifier of an electric machine and is adapted to control the battery voltage, and -
7 und8 zeigen den Verlauf des Winkelversatzes bzw. des Polradwinkels über der Drehzahl der elektrischen Maschine (7) und den Winkelversatz bzw. den Polradwinkel über der Flankenzeit zwischen den Flanken eines Phasensignals (8).7 and8th show the course of the angular offset or the Polradwinkels on the speed of the electric machine (7) and the angular offset or the Polradwinkel over the edge time between the edges of a phase signal (8).
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In
Das Geberrad
Der Sensor
Durch Korrelation einer Zeitdifferenz zwischen zwei Zähnen mit einem Winkel, den diese zwei Zähne einschließen, können die Winkelgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl und darüber hinaus auch die entsprechende Winkelposition der Kurbelwelle näherungsweise berechnet werden. By correlating a time difference between two teeth at an angle included by these two teeth, the angular velocity and, moreover, also the corresponding angular position of the crankshaft can be approximately calculated.
An der Lücke
In
In
Beispielhaft ist die elektrische Maschine
Die drei Phasen des Drehstromgenerators
In
Im mittleren Diagramm ist die Generatorspannung UG, die durch die Hüllkurven der positiven und negativen Halbwellen der Spannungsverläufe U, V, W gebildet wird, gezeigt.In the middle diagram, the generator voltage U G , which is formed by the envelopes of the positive and negative half-waves of the voltage waveforms U, V, W, shown.
Im unteren Diagramm ist schließlich die gleichgerichtete Generatorspannung UG- (vgl.
In
UU, UV, UW bezeichnen die Phasenspannungen der zugehörigen Phasen U, V, W, wie sie zwischen einem Außenleiter und dem Sternpunkt des Stators
IU, IV, IW bezeichnen die Phasenströme vom jeweiligen Außenleiter einer Phase U, V, W zum Sternpunkt. I bezeichnet den Gesamtstrom aller Phasen nach der Gleichrichtung.I U , I V , I W denote the phase currents from the respective outer conductor of a phase U, V, W to the neutral point. I denotes the total current of all phases after rectification.
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Bei einer elektrischen Maschine
Grundsätzlich können die Phasensignale (UU, UV, UW, IU, IV, IW) auf verschiedene Weise gewonnen werden. Möglich ist beispielsweise eine Ermittlung der Phasenspannungen gegeneinander (UUV, UUW, UWU), eine Ermittlung der Phasenspannungen über die Dioden eines angeschlossenen Gleichrichters gegen dessen Ausgangsklemmen (B+, B-), sofern der Stator der elektrischen Maschine in Sternschaltung mit abgreifbarem Sternpunkt ist, eine Betrachtung der Ausgangsspannung der Stränge gegen den Sternpunkt (UU, UV, UW) oder eine vergleichbare Auswertung der Phasenströme.In principle, the phase signals (U U , U V , U W , I U , I V , I W ) can be obtained in various ways. Possible, for example, a determination of the phase voltages against each other (U UV , U UW , U WU ), a determination of the phase voltages across the diodes of a connected rectifier against the output terminals (B +, B-), if the stator of the electric machine in star connection with tappable star point is a consideration of the output voltage of the strands against the neutral point (U U , U V , U W ) or a comparable evaluation of the phase currents.
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Während einer vollen Umdrehung des Rotors
Diese Flanken legen einen Winkelabschnitt fest, nämlich genau den Winkelabschnitt, der durch die Magnete entlang des radialen Umfangs des Stators abgedeckt ist. Demnach lässt sich bei Erkennen der jeweiligen Flanken FLU, bzw. FLD, bei Kenntnis eines absoluten Bezugspunkts pro Umlauf, der beispielsweise anhand eines Referenzmagneten mit von den sonstigen Magneten abweichender Charakteristik der Phasenspannung UU, UV, UW gekennzeichnet ist, ermittelt werden.These flanks define an angular section, namely exactly the angular section which is covered by the magnets along the radial circumference of the stator. Accordingly, upon detection of the respective flanks FL U , or FL D , with knowledge of an absolute reference point per circulation, which is characterized, for example, by means of a reference magnet with a characteristic deviating from the other magnets of the phase voltage U U , U V , U W become.
Mit geeigneten Mitteln können nun sowohl die fallenden Flanken FLD als auch die steigenden Flanken FLu erkannt werden. Beispielsweise kann für jede Phasenspannung mittels eines sogenannten Schmitt-Triggers ein TTL-Signal generiert und an ein Steuergerät übermittelt werden. Die benötigten Schmitt-Trigger können entweder im Steuergerät oder in der Steuerelektronik, beispielsweise einem Steuergerät, einem Regler für die Batteriespannung und/oder im Fall eines aktiven Gleichrichters, im jeweiligen Generatorregler integriert oder diesen auch extern zugeordnet sein. Die einzelnen TTL-Signale können insbesondere für den Fall der Verwendung eines Steuergerät, insbesondere eines Motorsteuergeräts
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Hierbei treten bei einer gleichmäßigen Anordnung der sechs Permanentmagnete in der elektrischen Maschine
Es versteht sich grundsätzlich, dass alternativ zu den fallenden Flanken FLD auch die steigenden Flanken zur Ermittlung der Drehwinkellage α1 des Rotors
Neben den aufsteigenden Flanken FLU und abfallenden Flanken FLD können für eine verbesserte Auflösung der Ermittlung der Drehwinkellage α1 des Rotors
Die tatsächliche Drehwinkellage α1 des Rotors
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Hierbei entspricht die Leerlaufspannung UP der elektrischen Maschine
Aufgrund der Belastung der elektrischen Maschine
Zudem ergibt sich der Winkel zwischen Ausgangsspannung U und Strom I durch die angeschlossene Last und beträgt für einen rein ohmschen Verbraucher φ = 0°. Die ideale induzierte Spannung (Leerlaufspannung) UP der elektrischen Maschine, ergibt sich als Produkt aus Maschinenkonstanten, der Erregung, und der Winkelgeschwindigkeit. Im Falle einer permanenterregten Maschine ergibt sich eine konstante Erregung durch die verwendeten Permanentmagnete und damit eine zur Winkelgeschwindigkeit proportionale ideale induzierte Spannung. Aus dem Zeigerdiagramm aus
Bei Verwendung eines linear arbeitenden Spannungsreglers
Die Leerlaufspannung UP ist grundsätzlich proportional zur Drehzahl nGen der elektrischen Maschine
Wählt man eine Darstellung der Formel für ϑaprox in Abhängigkeit der Flankenzeit tGen statt der Drehzahl nGen, ergibt sich folgender Zusammenhang von ϑprox und tGen:
Im relevanten Zeitbereich für typische Verbrennungsmotoren von Leerlauf bis ca. 15000 rpm lässt sich diese Beziehung näherungsweise durch eine Geradengleichung mit negativer Steigung beschreiben und ermöglicht damit eine hohe Recheneffizienz in der Anwendung. Wie bereits eingangs dargestellt, haben die angegebenen Wertebereiche lediglich erläuternden Charakter und sollen die Erfindung nicht beschränken.In the relevant time range for typical internal combustion engines from idle to about 15000 rpm, this relationship can be approximately described by a straight-line equation with a negative slope and thus enables a high computing efficiency in the application. As already indicated at the outset, the stated value ranges are merely illustrative and are not intended to limit the invention.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Batterieregelung bzw. einer entsprechenden Regelung der Batteriespannung derart, dass das jeweilige Stellglied
Durch entsprechende Ermittlung der unkorrigierten Drehwinkelposition αphase aus zumindest einem der Phasensignalen UU, UV, UW, IU, IV, IW und die zuvor beschriebene Ermittlung des Polradwinkels ϑ, kann die tatsächliche Winkelposition α1 durch:
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