DE102017201758A1

DE102017201758A1 - Verfahren zur Messung einer Ankerlage sowie Kopplungseinrichtung unter Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102017201758A1
Application number: DE102017201758.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Brantweiner; Reinhard Mick
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09
Also published as: WO2018141860A1; CN110268228A; US11060888B2; US20200011706A1; CN110268228B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Ankerlage bei einer Spule mit beweglichen Anker auf-weisenden Hubmagnet der als bistabiler Linearmagnet aufgebaut ist und der getaktet mittels Pulsweiten- Modulation angesteuert wird, wobei die Tiefe der Stromspitzen am Hubmagnet als Mass der Induktivität und der Position des beweglichen Ankers gemessen wird

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Messung einer Ankerlage eines Hubmagneten sowie eine Kopplungseinrichtung in einem Fahrzeug bei der ein Aktuator mit einem Hubmagnet zum Einsatz kommt und über das Verfahren sensorlos überwacht wird.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik der WO 2011098595A1 ist eine Kopplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt, die eine Kupplung umfasst, die an einer rotierenden Welle angeordnet ist, um die rotierende Welle wahlweise mit einem Antriebselement des Antriebsstrangs zu koppeln, und einem Aktuator zum Betätigen der Kupplung aufweist. Der Aktuator ist dazu ausgebildet, wahlweise einen Eingriffsabschnitt mit einem mit der Welle rotierenden Gewindeabschnitt in Eingriff zu bringen, um eine Relativbewegung des Eingriffsabschnitts und des Gewindeabschnitts entlang der Achse der rotierenden Welle zu bewirken und die Kupplung hierdurch in axialer Richtung zu betätigen. Dabei ist die Position des Eingriffsmittels, eines Stößels, durch die Bewegung des Ankers eines Hubmagneten bestimmt. Die Position des Hubmagneten muss überwacht sein, was oft mit Sensoren erfolgt.
Sensorenfreie Überwachung von Ankerlagen sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt.
Die DE4443259A1 zeigt beispielsweise ein Verfahren für die Messung der Ankerlage, wobei der zeitliche Verlauf des Spulenstromes i(t) von der Ankerlage abhängt. Die zu ermittelnde Zeitkonstante oder die Integrationszeit ty ist ein Mass für die Ankerlage.
Beiden Varianten ist gemeinsam, dass für die Messung die Spule des Hubmagneten verwendet wird. Ein separater Sensor ist nicht erforderlich. Beide Verfahren beruhen auf eine Kombination von Lagemessung und getakteter Steuerung.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren mit verbesserter Empfindlichkeit vorzuschlagen. Dieses Verfahren soll auf den Anwendungsfall eines Aktuator in einer Kopplungseinrichtung anwendbar sein.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Messung der Ankerlage bei einer Spule mit beweglichen Anker aufweisenden Hubmagnet der als bistabiler Linearmagnet aufgebaut ist und der getaktet mittels Pulsweiten- Modulation angesteuert wird, wobei die Tiefe der Stromspitzen am Hubmagnet als Mass der Induktivität und der Position des beweglichen Ankers gemessen wird.
Da die Induktivität eines Elektromagneten abhängig vom Arbeitspunkt, d.h. vom Hub ist, kann über die variable Induktivität des Elektromagneten aus dem Stromverlauf der Pulsweiten-Modulation der Spannung der Hub ermittelt werden. Der Hub korreliert zum Stromrippel, dem Spitze-Spitze-Wert des Stromes.
Bei klein gewähltem gemittelten Stromstärken kann damit, ohne den Hubmagnet ungewollt zu aktuieren, dessen Hubposition ermittelt werden.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Hubmagnet mit Anschlägen auf beiden Seiten ausgelegt wird.
Auch bei Beaufschlagung positiver oder negativer Spannungspulse im PWM und der resultierenden Bestromung in die jeweilige Richtung des mechanischen Anschlags muss keine Rücksicht auf ungewollte Bewegung genommen werden, so dass beliebig lange Perioden zur Erhöhung der Messgenauigkeit angelegt werden können.
Zur Messungen an den jeweiligen Anschlägen wird die PWM-Ansteuerung der Spannung umgepolt.
Vorteilhafterweise wird die Empfindlichkeit der Messung durch eine kleine PWM Frequenz über einen kurze Zeit erhöht, so dass auch Messungen hoher Empfindlichkeit außerhalb der Anschlagsposition möglich werden.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Schaltabstand zwischen positiver und negativer PMW-Spannung über den Bereich der Betriebstemperatur des Hubmagneten ausreichend ausgelegt wird.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Schaltabstand durch eine Temperaturkompensation über Messung des Spulenwiederstands durch eine Strommessung erhöht wird. Die Empfindlichkeit des Messverfahrens über die Temperatur kann mit Hilfe des Permanentmagneten des bistabilen Hubmagneten durch Polarisation und Übererregung des Stroms erhöht werden.
Es ist von Vorteil einen Aktuator in einer Kopplungseinrichtung mit dem Verfahren zu überwachen, der für eine Kopplungseinrichtung eines Antriebsstranges eine betreibt, die einen Eingriff relativ zu einem Gewindeabschnitt einer Welle bewegt und in Eingriff bringt.
Es ist von Vorteil, dass im Aktuator ungewolltes Aktuieren und Blockieren des Elektromagneten durch die Stellmechanik der Kopplungseinrichtung durch eine entsprechende Strommessung über eine ECU laufend überwacht ist.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Es zeigt:

1 einen ungefilterter PWM- Stromverlauf einer typischen Aktuierung des Elektromagneten,
2 Typischer Spannungs-/Stromverlauf (RMS- gefiltert) zur Ansteuerung des Elektromagneten,
3 zeigt ein Schema der Vorgabespannung PWM sowie der resultierende Stromaufnahme des Elektromagneten,
4 Kennlinienfeld von gemessenen Stromripple und Induktivität,
5 Sicherer Schaltabstand,
6 Exemplarisches Stromripple- Kennlinienfeld über Temperatur und Hub,
7 Aktuator in einer Kopplungsanordnung.

7 zeigt eine Anordnung einer Kopplungseinrichtung, in der ein Aktuator zum Einsatz kommt. Gemäß 7 ist eine Kopplungsanordnung 10 in einem Antriebsstrang eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs angeordnet. Eine Kupplung 11, bei der es sich beispielsweise um eine Sperrsynchronisierung handeln kann, dient zum wahlweisen Koppeln einer rotierenden Welle 12 (beispielsweise einer Ausgangswelle eines Hauptgetriebes, eines Verteilergetriebes oder eines Elektromotors eines Kraftfahrzeugs) und einer Abtriebswelle 14 (beispielsweise einer Achswelle, einer Kardanwelle oder eines Eingangselements eines Winkelgetriebes). Die in 7 gezeigte Konfiguration entspricht einer vollständig eingerückten Kupplung 11, also einer antriebswirksamen, formschlüssigen, Kopplung der rotierenden Welle 12 und der Abtriebswelle 14, wobei die Kupplung 11 in die eingerückte Stellung gemäß 7 vorgespannt ist.
Der Kupplung 11 ist eine Betätigungseinrichtung 16 zugeordnet, welche ein Stellglied 18 umfasst. Eine Schaltgabel 22 des Stellglieds 18 ist parallel zu der Rotationsachse A der rotierenden Welle 12 versetzbar, um eine Muffe 23 zu verschieben und dadurch eine Betätigung der Kupplung 1 1 zu bewirken. Die Schaltgabel 22 kann wie dargestellt eine Bewegung in axialer Richtung durchführen oder aber alternativ um einen Punkt drehbar gelagert sein. Ein Hebel 24 ist derart an der Schaltgabel 22 angelenkt, dass er um eine rechtwinklig zu der Rotationsachse A angeordnete Schwenkachse S verschwenkbar ist. Ein Endabschnitt des Hebels 24 ist als Eingriffsabschnitt in Form eines Mutterwinkelsegments 28 ausgebildet, welcher mit einem an der rotierenden Welle 12 vorgesehenen Gewindeabschnitt 30 in Eingriff bringbar ist. Das Mutterwinkelsegment 28 an dem Hebel 24 bildet ferner einen Mitnehmer 26, der bei einem Eingriff zwischen Gewindeabschnitt 30 und Mutterwinkelsegment 28 aufgrund der Rotationsbewegung der rotierenden Welle 12 in Richtung der Rotationsachse A verschoben wird. Die Verfahrgeschwindigkeit des Mitnehmers 26 hängt von der Steigung und der Ganganzahl des Gewindeabschnitts 30 sowie von der Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Welle 12 ab.
Ein Aktuator 32 der Betätigungseinrichtung 16, welcher hier als elektrisch ansteuerbarer Hubmagnet mit einem linear verschiebbaren Stößel 34 ausgebildet ist, sorgt für ein wahlweises in Eingriffbringen des Mitnehmers 26 mit dem Gewindeabschnitt 30. Wie aus 7 hervorgeht, ist der Hebel 24 mittels eines ersten Federelements 36 in einer von der rotierenden Welle 12 weg weisenden radialen Richtung vorgespannt und liegt bei nicht betätigter Kupplung 11 an der Spitze des Stößels 34 an. Weiterhin ist ein zweites Federelement 38 vorgesehen, welches die Schaltgabel 22 in axialer Richtung in einer von der Kupplung 1 1 weg weisenden Richtung vorspannt. Diese Vorspannrichtung entspricht bei dem hier gezeigten Beispiel der Einrückrichtung. Das Federelement 36 kann so angeordnet werden, dass es auch die Funktion des zweiten Federelements 38 vollständig mitübernimmt, indem es in einem Winkel zur Rotationsachse A angeordnet ist. Der Anteil der Federkraft in radialer Richtung ist zum Anheben des Hebels 24 zuständig, der axiale Anteil zum Bewegen der Schaltgabel 22.
Wenn während des Fahrbetriebs eine antriebsmäßige Trennung der Abtriebswelle 14 von der rotierenden Welle 12 herbeigeführt werden soll, wird mittels eines nicht dargestellten Steuergeräts der Hubmagnet 32 aktiviert, also bestromt, sodass dessen Stößel 34 entgegen einer nicht dargestellten Vorspannung in eine ausgefahrene Betätigungsstellung bewegt wird.
Um die Bewegung des Stößels 34 über den Hubmagnet zu überwachen wird kein Sensor eingesetzt sondern ein Messverfahren angewendet. Dazu wird ein bistabiler Hubmagnet eingesetzt. Bistabile Hubmagnete sind elektromechanische Magnete mit linearer Bewegungsrichtung, wobei der Anker in jeder Endposition arretiert. Die Wirkung bistabiler Hubmagnete unterscheidet sich in einem feinen aber sehr entscheidenden Detail von „normalen“ Hubmagneten: der Tauchkern arretiert unbestromt in beiden Endpositionen mit erheblicher Kraft.
Bei bistabilen Hubmagneten wird die Spule mehr oder minder mittig geteilt, so dass ein Spalt entsteht. In diesen Spalt ist ein Permanentmagnet eingesetzt. Der Anker selber ist sowohl vorne wie hinten so abgedreht, dass er in der jeweiligen Endposition eine plan aufliegende Fläche zum Rahmen des Magneten hat. Über diese Fläche fließt das Magnetfeld des Permanentmagneten. Es auch der Einsatz von zwei getrennten Spulen möglich, wobei diese getrennt voneinander angesteuert werden, je nachdem in welche Richtung der Anker bewegt werden soll.
1 und 2 zeigen den Verlauf der Spannung und des Strom eines Hubmagneten über der Zeit einmal in ungefilterter Darstellung sowie nach der Filterung zur Glättung. In 1 ist der Stromverlauf als Reaktion auf das Pulsweiten-Signal der Spannung dargestellt. Der Strom schwankt zwischen einem Minimum und einem Maximum und bildet dabei Stromrippel aus deren Abstand zwischen Minimum und Maximum Δi genannt wird. Man erkennt, dass unterschiedliche Abstände über dem zeitlichen Verlauf auftreten.
In der Phase 1, die sich zwischen t1-t3 erstreckt wird der Hubmagnet durch eine erhöhte Spannung U₁ mittels Pulsweiten-Modulation durch Übererregung mit kurzzeitig erhöhter Bestromung schnell aktuiert.
Die Phase 2 beginnt bei t3 bis t4 und beschreibt die Phase in der der Hubmagnet den Anker verschiebt, die Shift-Phase. Die Bestromung der ersten Phase wird von der Übererregung auf den erforderlichen Arbeitspunkt, die erforderliche Kraft reduziert. Der Anker mit einem damit verbundenen Stößel wird bewegt und eine Betätigung z.B. eines Hebels 24 findet statt. Eine Kopplungsanordnung nach 7 wird während dieser Phase 2 geöffnet. Der Hub des Ankers und somit des Stößels kann in dieser Phase eine Zwischenstellung einnehmen. Eine mögliche Hub- Zwischenstellung kann sich durch die zu aktuierende Gegenkraft bzw. der jeweiligen Schaltstellung des Gewindeabschnitts von der Kopplungsanordnung ergeben.
Die Spannungsvorgabe U₂ ist über die Shift- Phase konstant.
In einer dritten Phase, die sich von t4 bis t5 erstreckt wird die Spannung und somit der Strom auf den erforderlichen Arbeitspunkt zum Halten des Elektromagneten reduziert. Die Kopplungsanordnung ach 7 bleibt während dieser Phase 3 geöffnet. Bei Verwendung eines bistabilen Elektromagneten wird der Strom auf 0 Ampere reduziert. Die Haltekraft wird von einem Permanentmagneten im bistabilen Hubmagneten aufgebaut.
In einer vierten Phase 4, ab der Zeitmarke t5 ist der Hubmagnet abgeschaltet. Der bistabile Magnet bleibt solange stromlos angezogen bis die PWM-Spannung umgepolt wird. Ein kurzer negativer Strompuls für die Dauer der Schaltzeit ist ausreichend um den bistabilen Elektromagneten wieder in seine ursprüngliche Position einzufahren.
In 3 wird schematisch das Pulsweiten Verfahren aufgezeigt. Im oberen Bereich ist die Spannung über der Zeit aufgetragen. Man erkennt die Anschaltzeit t_on pro Periode T. Durch Variation dieser Zeit t_on wird die Spannung variiert und integral ein geringer oder hoher Spannungswert eingestellt. Eine weitere Ansteuerungsvariante ergibt sich durch Änderung der Periode, also der Frequenz des Ansteuersignals.
Im unteren Teil der 3 ist dargestellt, wie der Strom im Hubmagnet dem Signal der Pulsweitenmodulation folgt. Dabei ist zu erkennen, dass das Stromsignal Spitzen, Stromrippel, ausbildet.
Der Abstand zwischen den Spitzen Δi hängt von der differenzielle Induktivitäten L der Spulen des Hubmagneten ab. Die Induktivitäten der Spulen ändern sich, wenn sich der Anker bewegt, somit der Luftspalt zu oder abnimmt.
Dabei folgt die differenzielle Induktivitäten L der folgenden Beziehung: $L = - R \cdot \frac{t_{o n}}{ln (1 - Δ i \cdot R / U_{D C})}$

Δi:: Stromripple Spitze-Spitze
U_DC:: Versorgungsspannung PWM
t_on:: On-time PWM
R:: Widerstand des Hubmagneten

Über eine Messung der Stromrippel kann die differenzielle Induktivitäten L ermittelt werden, wie es in der 4 dargestellt wird. Man erhält ein Kennfeld, in dem der Verlauf der Induktivitäten und somit des Anker Hub für einen individuellen Hubmagneten bestimmt ist.
Um die Ansteuerung für einen bestimmten Hubmagneten zu bestimmen, muss noch ein Kennlinienfeld bestimmt werden. Das Kennlinienfeld von Δi über Hubposition kann über eine Kraft-Hub- Messmaschine bei gleichzeitiger ECU- Stromansteuerung mit wenig Aufwand ausreichend genau aufgenommen werden.
Um ein robustes System mit einer hohen Empfindlichkeit zu schaffen ist es vorteilhaft, wenn kleine Hubänderungen große Änderungen im Stromrippel Δi gegenüberstehen.
Das Kennlinienfeld von Induktivität über Hub kann dabei zusätzlich durch die Auslegung des Elektromagneten eingestellt werden.
Ein korrekter Einspurvorgang (Hub über Zeit) kann über entsprechende Stromripple - Toleranzbänder überwacht werden.
Das Messsystem in einer ECU tastet den Strom mit einer Auflösung von 12bit ab. Um sichere Aussagen über die Position des Ankers über die Strommessung treffen zu können, ist eine möglichst große relative Präzision erforderlich.
Die Abtastrate kann dabei nicht von der PWM-Frequenz abweichen. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen wird über die Umpolung der Spannungspulse bei bipolarer Ansteuerung ein Effekt für das Messverfahren erreicht. Durch die Umpolung der PWM-Spannung kann in beiden Endlagen gemessen werden, ohne ungewollte Aktuierungen des Hubmagneten zu riskieren.
Durch vorrübergehende Wahl einer kleineren PWM- Frequenz während der Shift-phase wird ein kleiner mittlerer Strom am Hubmagneten angelegt. Dadurch kann der Stromimpuls verlängert und damit mehr Messwerte gewonnen werden. Der kurze Wechsel der Frequenz muss dabei so gewählt sein, dass der Hubmagnet nicht ungewollt eine Hubbewegung ausführt.
Auch die in den Endlagen kaum eingeschränkte Stromerhöhung erhöht bei konstanter absoluter Messauflösung die relative Auflösung der Strommessung. Diese erlaubte Stromerhöhung wird von der Bewicklung, der Auslegung des bistabilen Magneten ermöglicht. Auch bei Bestromung in die jeweilige Richtung des mechanischen Anschlags muss keine Rücksicht auf ungewollte Bewegung genommen werden, so dass beliebig lange Perioden zur Erhöhung der Messgenauigkeit angelegt werden können.
Das Messverfahren muss auch über einen großen Temperaturbereich einsetzbar sein. Im Fall des Einsatzes des Aktuators an einer Kopplungseinrichtung im Fahrzeug muss ein Bereich von -40 °C bis +125 °C abgedeckt sein, ohne dass Probleme mit der Umschaltung des bistabilen Hubmagneten auftreten.
Die Umschaltung zwischen On- und OFF Zustand des Hubmagneten muss mit einem sicheren Schaltabstand in der Stromstärke erfolgen.
Den Einfluss der Temperatur auf den Schaltabstand lässt sich über Messung des Spulenwiderstands kompensieren. Auch lässt sich durch Festlegung eines optimalen Spulenwiderstands des Hubmagneten eine optimierte Auswahl für die Ausführung des Verfahrens treffen. Sowohl der Spulenwiderstand als auch die Induktivität ändern sich über Temperatur.
Die Induktivität wird bei einem bistabilen Magneten auch über den Permanentmagneten beeinflusst, dessen Eigenschaften auch temperaturabhängig sind.
Typischerweise sinkt die Remanenz mit höherer Temperatur.
Wenn die Empfindlichkeit durch einen großen Einfluss des Hubs auf die Stromrippel voreingestellt ist, muss der temperaturabhängige Stromripple nicht mehr kompensiert werden, da der Schaltabstand zwischen der ON/OFF- Position groß genug über Temperaturbereich ist.
Dies ist in 5 dargestellt. Durch den großen Abstand der Stromrippel über den gesamten Temperaturbereich, bleibt auch am Ende der hohen Temperatur noch ein ausreichender Schaltabstand zwischen den Polaritäten der Spannung übrig.
Der Unterschied zwischen den Kurven tritt auf durch Änderungen der Induktivität mit dem zu messenden Hub.
D.h. On/Off haben ein grundsätzlich anderes Niveau von der Induktivität, den Stromripple her. Dieser Effekt ist noch mit den Effekten der Temperatur bzw. Polarität der Stromansteuerung überlagert.
6 zeigt den Verlauf der Stromrippel über die Zeit jeweils für den On/Off Zustand bei unterschiedlichen Temperaturen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011098595 A1 [0002]
DE 4443259 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Messung der Ankerlage bei einer Spule mit beweglichen Anker aufweisenden Hubmagnet der als bistabiler Linearmagnet aufgebaut ist und der getaktet mittels Pulsweiten- Modulation angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Stromspitzen am Hubmagnet als Mass der Induktivität und der Position des beweglichen Ankers gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubmagnet mit Anschlägen auf beiden Seiten ausgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Ansteuerung umgepolt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeit der Messung durch eine kleine PWM Frequenz über einen kurze Zeit erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltabstand zwischen positiver und negativer PMW-Spannung über den Bereich der Betriebstemperatur des Hubmagneten ausreichend ausgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltabstand durch eine Temperaturkompensation über Messung des Spulenwiederstands durch eine Strommessung erhöht wird.
Kopplungseinrichtung eines Antriebsstranges wobei eine Betätigungseinrichtung (16) einen Aktuator (32) aufweist, der einen Eingriff (28) relativ zu einem Gewindeabschnitt (39) einer Welle bewegt und in Eingriff bringt, wobei der Aktuator einen Hubmagneten aufweist, der mit dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 überwacht ist.
Kopplungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ungewolltes Aktuieren und Blockieren des Elektromagneten durch die Stellmechanik der Kopplungseinrichtung kann durch eine entsprechende Strommessung über eine ECU laufend überwacht ist.