DE102017222841A1

DE102017222841A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017222841A1
Application number: DE102017222841.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fischer; Stefan Grodde; Bastian Reineke; Jonathan Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-06-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition (α) einer Welle (17), insbesondere einer Kurbelwelle (17') oder Nockenwelle 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, Wuo, Wvo, Wwo) aufweist, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors (32) auftritt, wobei ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts (W, W, W, W, W, W, W, W, W) zur Bestimmung einer Drehwinkellage (α) des Rotors (32) genutzt wird, wobei die Drehwinkelposition (α) der Welle 17 aus einem ersten Beitrag (KW1), aufweisend die Drehwinkellage (α) des Rotors (32), und einem weiteren Beitrag (KW2), aufweisend eine Drehwinkelposition (α) der Welle 17, welche durch einen Sensor (10) bestimmt wird, berechnet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Recheneinheit, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.

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.
Stand der Technik
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.
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.
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.
Bei jedem modernen Fahrzeug mit Brennkraftmaschine ist ein Generator verbaut, der durch die Drehung der Kurbelwelle angetrieben wird. Dieser liefert elektrische Signale und dient zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und dem Aufladen der Fahrzeugbatterie. Der vorgesehene Betrieb eines Fahrzeugs ohne diesen Generator, ist nicht oder nur für kurze Zeit möglich.
Eine Nutzung der elektrischen Ausgangsgrößen einer über die Kurbelwelle angetriebenen elektrischen Maschine (Generator), wird beispielweise in der EP 0 664 887 B1 zur Drehzahlbestimmung verwendet. Hierzu wird eine Phase des Generators als Referenz zur Verfügung gestellt, an welcher eine pulsierende Gleichspannung anliegt. Eine derartige Anordnung kann zudem dafür herangezogen werden, anhand der jeweiligen Phasensignale auch eine Abschätzung der Drehwinkelposition des Rotors der elektrischen Maschine und dadurch auch eine Drehwinkelposition der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu ermitteln, die jeweils direkt oder übersetzt miteinander gekoppelt sind. Eine hochaufgelöste Drehzahlbestimmung bzw. eine hochaufgelöste Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle bzw. des Rotors der elektrischen Maschine, ist hierbei jedoch nicht realisiert.
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.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Bei einem Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Welle, vorzugsweise einer Kurbelwelle oder Nockenwelle 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 auftritt und zur Bestimmung der Drehwinkellage des Rotors genutzt wird, die Drehwinkelposition der Welle, insbesondere der Kurbelwelle oder der Nockenwelle der Brennkraftmaschine, aus einem ersten Betrag, aufweisend die Drehwinkellage des Rotors, und einem weiteren Betrag, aufweisend eine Drehwinkelposition der Welle, insbesondere der Kurbelwelle oder der Nockenwelle der Brennkraftmaschine, welche durch einen Sensor bestimmt wird, berechnet.
Diesem Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, dass neben einer Drehwinkellagebestimmung auf Basis der Phasensignale der elektrischen Maschine auch die Sensorsignale eines Sensors, vorzugsweise eines induktiven Drehzahl- bzw. Drehlagesensors zur Bestimmung der Drehwinkellage der Kurbel- bzw. Nockenwelle herangezogen werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Drehwinkellage sehr hoch aufgelöst bestimmt werden kann, da die aus den elektrischen Phasensignalen der elektrischen Maschine gewonnene Drehwinkellage des Rotors der elektrischen Maschine ermittelte Drehwinkellage der Kurbelwelle bzw. Nockenwelle durch die mittels des Sensors ermittelte Drehwinkellage entsprechend korrigiert, abgeglichen oder ergänzt werden kann. Darüber hinaus ergibt sich auch eine redundante Ermittlung der Drehwinkellage, welche insbesondere bei einer technischen Beeinträchtigung eines Ermittlungspfades, nämlich, entweder aus der elektrischen Maschine oder aus dem Sensor, entsprechend gestört ist oder sogar gänzlich ausfällt.
In Bezug auf die Drehwinkellage des Rotors der elektrischen Maschine kann aufgrund der festen Kopplung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und des Rotors der elektrischen Maschine, bei Kenntnis der Drehwinkellage des Rotors auf die Drehwinkelposition der Kurbelwelle oder der Nockenwelle 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. Auch bei einer belasteten elektrischen Maschine ist das in erster Näherung zutreffend, wobei sich hierdurch eine Winkelverschiebung bzw. ein Winkelversatz ergibt, der dem sogenannten Polradwinkel entspricht. Der sich hieraus ergebende Fehler in der Drehwinkelposition des Rotors, der sich somit auf einen Fehler in der Drehwinkellagebestimmung der Welle überträgt, könnte somit in erster Näherung durch ein Abgleich mit dem Drehwinkellagesensor an der Kurbel bzw. Nockenwelle abgeglichen und entsprechend korrigiert werden.
Folglich lässt sich direkt aus den internen Signalen der elektrischen Maschine in Kombination mit den Drehwinkelpositionen, die sich aus einem Drehwinkellagesensor, der der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle zugeordnet ist bzw. sein kann, ergeben, eine hochaufgelöste Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbellwelle bzw. der Nockenwelle ermitteln. Dies ist von Vorteil, da der insbesondere bei Leichtkrafträdern bzw. Motorrädern oder Mopeds standardmäßig verbaute induktive Drehzahl- bzw. Drehlagesensor, der typischerweise an der Kurbelwelle angeordnet ist, zu einer verbesserten Drehwinkelposition beiträgt. Hierbei wird sowohl aus den Ausgangsgrößen des induktiven Drehzahl- bzw. Drehlagesensors als auch aus den Ausgangsgrößen der elektrischen Maschine eine Drehwinkelposition der Welle mit deutlich erhöhter Genauigkeit bestimmt. Im Ergebnis lässt sich somit eine hochaufgelöste Drehwinkelposition der Kurbelwelle bzw. der Nockenwelle ermitteln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Beitrag, aufweisend die Drehwinkellage des Rotors, mit dem weiteren Beitrag, aufweisend eine Drehwinkelposition der Welle, welche mittels des Drehwinkellagesensors bestimmt wird, verglichen, wobei aus der Differenz des ersten Beitrags und des weiteren Beitrags ein Korrekturterm berechnet wird, mittels dem der erste Beitrag korrigiert und hieraus die Drehwinkelposition der Welle, insbesondere der Kurbelwelle oder der Nockenwelle der Brennkraftmaschine, bestimmt wird.
Durch den Vergleich der jeweiligen Beiträge miteinander und der Ermittlung eines Korrekturterms kann in besonders einfacher Weise der aus der elektrischen Maschine gewonnene Beitrag zur Drehwinkelpositionsbestimmung der Welle korrigiert werden. Es versteht sich, dass mittels des Korrekturterms auch der weitere Beitrag korrigiert und hieraus eine hochaufgelöste Drehwinkelposition bestimmbar ist.
Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass die Drehwinkelposition der Welle bei verschiedenen Drehzahlen bestimmt, insbesondere gelernt wird. Weiter ist bevorzugt, dass die Drehwinkelposition der Welle bei verschiedenen Betriebsmodi der elektrischen Maschine, insbesondere unter Last, weiter vorzugsweise in einem Ladebetrieb oder im Leerlaufbetrieb der elektrischen Maschine, in dem die Energieabgabe der elektrischen Maschine in eine etwaige Batterie eines Bordnetzes unterbunden ist, insbesondere durch Kurzschluss oder Lastfreistellen der elektrischen Maschine unterbunden wird, bestimmt wird.
Diese weiteren Ausgestaltungen, insbesondere die Drehwinkelpositionsbestimmung bei verschiedenen Drehzahlen, bzw. bei verschiedenen Betriebsmodi hat den Vorteil, dass die jeweilig ermittelten Drehwinkelpositionen bzw. die sich hieraus ergebenen Differenzen und Korrekturterme für die verschiedensten Betriebssituationen der elektrischen Maschine gelernt und gegebenenfalls in einem Speicher eines Steuergeräts hinterlegt werden können. Somit stehen die entsprechenden Korrekturterme zur Korrektur des ersten Beitrags der aus der elektrischen Maschine ermittelten Größen, bzw. zur Korrektur des weiteren Beitrags, stets zur Verfügung, um einen hochaufgelöste Drehwinkelpositionsbestimmung der Kurbelwelle bzw. der Nockenwelle im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine zu ermitteln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Drehwinkellage des Rotors durch einen Winkelversatz korrigiert, wobei der Winkelversatz derart ermittelt wird, dass Zeitintervalle zwischen einem ersten Wert, einem zweiten Wert und zumindest einem zeitlich dazwischen angeordneten weiteren dritten Wert herangezogen werden, wobei die elektrische Maschine im Zeitbereich des ersten und zweiten Werts in einem ersten Betriebszustand und im Zeitbereich des dritten Werts in einem weiteren Betriebszustand betrieben wird.
Wie bereits eingangs erwähnt, stimmt bei einer unbelasteten elektrischen Maschine die relative Phasenlage der Leerlaufspannung mit der Drehwinkellage des Motors überein, wobei aus der Drehwinkellage des Rotors wiederum auf die Winkelposition der Kurbel- bzw. Nockenwelle zurückgeschlossen werden kann. Diese Relation gilt jedoch für eine belastete elektrische Maschine nicht ohne weiteres, 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 Drehwinkellage des Rotors übereinstimmt. Dieser Versatz der Winkellage zwischen der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine und der tatsächlichen Winkellage des Rotors der elektrischen Maschine, wird wie bereits erwähnt als Polradwinkel bezeichnet. 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 noch weiter verbesserter Genauigkeit und somit noch höherer Güte bereitgestellt werden.
Der Winkelversatz (Polradwinkel) kann in verbesserter Genauigkeit derart ermittelt werden, dass hierzu Zeitintervalle zwischen einem ersten Wert, einem zweiten Wert und zumindest einem zeitlich dazwischen angeordneten weiteren dritten Wert herangezogen werden, wobei die elektrische Maschine im Zeitbereich des ersten und zweiten Werts in einem ersten Betriebszustand und im Zeitbereich des dritten Werts in einem weiteren, zum ersten Betriebszustand verschiedenen Betriebszustand, betrieben wird. Bei diesen Werten handelt es sich um eine Auswahl an Werten, die direkt mit dem Phasensignal bzw. mit den aus dem Phasensignal gewonnenen Flanken zumindest einer Phase assoziiert sind bzw. aus diesen gewonnen werden. Somit definieren die Zeitbereiche die Bereiche der Zeit, in denen die zuvor bezeichneten Flanken auftreten können. Die Zeitintervalle hingegen sind die Zeitabschnitte zwischen den jeweiligen Flanken. Es kann auch vorteilhaft sein, innerhalb der Zeitbereiche Totzeiten, also Zeiten ohne Regeleingriff, vorzusehen, um etwaige Einschwingvorgänge innerhalb der elektrischen Maschine zu berücksichtigen.
Werden die jeweiligen Betriebszustände nun so gewählt, dass im Zeitraum des ersten Betriebszustands die elektrische Maschine motorisch oder generatorisch betrieben wird und die elektrische Maschine während des weiteren Betriebszustands vorzugsweise im Leerlauf, weiter vorzugsweise in einem Kurzschlussbetrieb betrieben wird, so ist innerhalb eines Messintervalls, das alle drei aufeinanderfolgenden Messwerte bzw. Flanken umfasst, ein wohldefinierter Zustand für den Polradwinkel gegeben, wodurch die absolute Winkelposition der Welle direkt ermittelbar ist.
Im Betriebszustand des Leerlaufs verschwindet der Stromfluss innerhalb der elektrischen Maschine wodurch der Polradwinkel gegen 0° geht und im Betriebszustand des Kurzschlusses, kann ein entsprechend hinterlegter Kurzschlusspolradwinkel berücksichtigt werden.
Zudem können die Werte mit drei unmittelbar aufeinanderfolgenden Flanken des Phasensignals assoziiert sein oder weiter vorzugsweise auch durch zeitlich weiter auseinanderliegenden Flanken assoziiert sein. Auch Nulldurchgänge zumindest einer Phasenspannung können mit den Werten assoziiert sein, was besonders vorteilhaft ist, da die Nulldurchgänge besonders einfach detektierbar sind. Je nach vorliegender Drehzahl der elektrischen Maschine werden bei geringer Drehzahl, beispielsweise im Bereich der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine, die unmittelbar benachbarten Flanken ausgewählt, wohingegen bei höheren Drehzahlen eine davon abweichende Konfiguration wählbar ist, bei der die zur Ermittlung des Polradwinkels heranzuziehende Flanken mit steigender Drehzahl immer weiter zeitlich auseinanderliegen. Dadurch ist gewährleistet, dass sich das elektrische System, das mit der elektrischen Maschine assoziiert ist, unabhängig von der Drehzahl einschwingen kann, bevor eine Auswertung der jeweiligen Flanke erfolgt.
Durch die Wahl nur steigender Flanken oder nur fallender zeitlich aufeinanderfolgender Flanken zur Ermittlung des Polradwinkels kann vermieden werden, dass unterschiedliche Ausprägungen steigender beziehungsweise fallender Flanken die Auswertung beeinflussen. Mögliche Ursachen auftretender Unterschiede sind beispielsweise unterschiedliche Verhalten der Komponenten zur Aufbereitung der Signale der elektrischen Maschine für die nachfolgende Auswerteeinheit für fallende und steigende Signalflanken.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, das Schalten zwischen den ersten und zweiten Betriebszuständen, oder umgekehrt, möglichst unmittelbar zeitlich nachgelagert zu den Werten bzw. den damit assoziierten Flanken des Phasensignals durchzuführen. Somit besteht bis zum Erreichen der darauffolgenden Flanke ausreichend Zeit, sodass sich das System einschwingen und einen entsprechend stationären Zustand einnehmen kann.
Weiter ist es bevorzugt die Ermittlung des Polradwinkels im Zeitbereich einer geringen Dynamik der Drehzahl der elektrischen Maschine, insbesondere in einem Zeitbereich, in dem der Drehzahlgradient in etwa Null ist, vorzunehmen. Dies ist von Vorteil, da in Zeitbereichen geringer zeitlicher Dynamik der Drehzahl der Polradwinkel noch genauer ermittelbar ist.
Es ist weiter bevorzugt, dass der Drehzahltrend bzw. der mittlere Drehzahlverlauf im Zeitbereich der Messung bei der Ermittlung des Polradwinkels entsprechend berücksichtigt wird. Dies ist von Vorteil, da hierdurch etwaige die Polradwinkelmessung verfälschende Drehzahleinflüsse der elektrischen Maschine korrigiert werden können.
Die Phasensignale können auf verschiedene Weise gewonnen werden. Möglich ist beispielsweise eine Betrachtung der Phasenspannungen gegeneinander, eine Betrachtung der Phasenspannungen über die Dioden oder Transistoren 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.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, weisen die Werte aufsteigende Flanken des Phasensignals, abfallende Flanken des Phasensignals und/oder Nulldurchgänge des Phasensignals auf, bzw. sind entsprechend mit den aufsteigenden Flanken des Phasensignals, den abfallenden Flanken des Phasensignals oder den Nulldurchgängen korreliert, wobei die aufsteigenden Flanken des Phasensignals und/oder die abfallenden Flanken des Phasensignals und/oder die Nulldurchgänge 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 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der durch den 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.
Durch eine derartige Regelung kann eine Ausgangsspannung, welche den gleichgerichteten Phasenspannungen entspricht, 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.
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.
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 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wird der erste Beitrag durch Addition der Drehwinkellage des Rotors und des Winkelversatzes berechnet.
Auf diese Weise kann besonders einfach eine verbesserte 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. Durch Kombination des ersten Beitrags mit dem weiteren Beitrag, der aus den Signalen des vorzugsweise induktiven Positionssensors ermittelt wird, kann die Drehwinkelpositionsermittlung der Welle nochmals erheblich verbessert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wird das Phasensignal durch mehrere magnetische Erreger der elektrischen Maschine erzeugt, wobei einer der magnetischen Erreger derart von den restlichen Erregern abweichend betrieben wird, dass das von diesem einen Erreger erzeugte Phasensignal einen von den sonstigen Phasensignalen der sonstigen Erregern 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 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, werden die Phasensignale der elektrischen Maschine mittels einer elektronischen Schaltung, insbesondere eines digitalen Reglers, der in einem Motorsteuergerät integriert sein kann, 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. Die Verwendung eines elektronischen bzw. digitalen Reglers ist besonders vorteilhaft, da hierbei die Zeitpunkte der Regel Eingriffe bekannt und damit auf das jeweilige Verfahren zur Bestimmung des Polradwinkels anpassbar sind.
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 Drehmoments 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.
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, insbesondere 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.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Geberrad mit Sensor, insbesondere zur Drehzahlbestimmung gemäß dem Stand der Technik;
2a bis c zeigen eine schematische Darstellung einer an eine Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (a, b), und die dazugehörigen Signalverläufe (c);
3 zeigt schematisch eine elektrische Maschine, mit den entsprechenden zugehörigen Phasensignalen;
4a bis 4d zeigen mögliche Spannungsverläufe der Phasen einer dreiphasigen elektrischen Maschine (a, b) den Spannungsverlauf für eine der Phasen aus a) (c) und ein Spannungssignal eines induktiven Drehzahl- bzw. Drehwinkelpositionssensors (d);
5a, 5b zeigen einen zeitlichen Drehzahlverlauf sowie den Verlauf einer Phasenspannung einer elektrischen Maschine (a), sowie einen vergrößerten zeitlichen Ausschnitt (b), gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels;
6a, 6b zeigen einen zeitlichen Drehzahlverlauf sowie den Verlauf einer Phasenspannung einer elektrischen Maschine (a), sowie einen vergrößerten zeitlichen Ausschnitt (b), gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
7a, 7b zeigen ein einphasiges vereinfachtes Ersatzschaltbild einer elektrischen Maschine (a), sowie das dazugehörige Zeigerdiagramm der Phasenspannungsvektoren (b);
8 a, 8b zeigt eine Reglerschaltung, die einem Gleichrichter einer elektrischen Maschine nachgelagert ist und zur Regelung der Batteriespannung eingerichtet ist gemäß einer ersten (a) und zweiten (b) Ausführungsform, und
9a und 9b zeigt den Verlauf des Winkelversatzes bzw. des Polradwinkels über der Drehzahl der elektrischen Maschine (a) und den Winkelversatz bzw. den Polradwinkel über der Flankenzeit zwischen den Flanken eines Phasensignals (b).

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 sind schematisch ein Geberrad 20 und ein zugehöriger induktiver Sensor 10 dargestellt, wie sie zur Drehzahlbestimmung bzw. zur näherungsweisen Ermittlung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle benutzt werden. Das Geberrad 20 ist dabei fest mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbunden und der Sensor 10 ist ortsfest an einer geeigneten Stelle angebracht.
Das Geberrad 20, üblicherweise aus einem ferromagnetischen Material, weist Zähne 22 auf, die an der Außenseite mit einem Abstand 21 zwischen zwei Zähnen 22 angeordnet sind. An einer Stelle auf der Außenseite weist das Geberrad 20 eine Lücke 23 in der Länge einer vorbestimmten Anzahl von Zähnen auf. Diese Lücke 23 dient als Bezugsmarke zur Erkennung einer absoluten Position des Geberrads 20.
Der Sensor 10 weist einen Stabmagnet 11 auf, an welchem ein weichmagnetischer Polstift 12 angebracht ist. Der Polstift 12 wiederum ist von einer Induktionsspule 13 umgeben. Bei Rotation des Geberrads 20 laufen abwechselnd Zähne 22 und zwischen jeweils zwei Zähnen liegende Leerräume an der Induktionsspule 13 des Sensors 10 vorbei. Da das Geberrad 20 und somit auch die Zähne 22 aus einem ferromagnetischen Material sind, wird bei der Rotation in der Spule ein Signal induziert, womit zwischen einem Zahn 22 und einem Luftspalt unterschieden werden kann.
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 durch Kenntnis der Abstände zwischen den Zähnen und der Bezugsmarke, die entsprechende Drehwinkelposition α_aprox der Kurbelwelle 17' näherungsweise bestimmt werden.
An der Lücke 23 weist das induzierte Signal U_ind (vgl. 4 d) in der Induktionsspule einen anderen Verlauf auf, als bei den ansonsten sich mit Leerräumen abwechselnden Zähnen 22. Anhand der sich vom Übergang von den Leerräumen zu den Zähnen 22 ergebenden Flanken F₁ bis F_n , können die Positionen der Zähne 22 erkannt werden. Die Absolutposition der Kurbelwelle 17' lässt sich insbesondere anhand eines gegenüber den anderen Leerräumen verändert ausgebildeten Leerraum L₀ bestimmen, wobei insbesondere bei Erkennen der auf den Leerraum L₀ unmittelbar folgenden Flanke F₂ eine Referenzposition R₀ bzw. Bezugsmarke der Kurbelwelle 17' definiert werden kann. Auch ein gegenüber den anderen Zähnen veränderter Zahn kann als Positionsmarke dienen.
In 2a ist eine Brennkraftmaschine 112 abgebildet, an die direkt oder übersetzt gekoppelt eine elektrische Maschine 30 angebunden ist, wobei die elektrische Maschine 30 durch die Kurbelwelle 17' der Brennkraftmaschine 112 angetrieben wird. Somit weist die Drehzahl n_Gen der elektrischen Maschine 130 und die Drehzahl n_BKM der Kurbelwelle 17' sowie die Winkelposition α₁ des Rotors der elektrischen Maschine 30 und die Drehwinkelposition α der Kurbelwelle 17' ein festes Verhältnis zueinander auf. Der elektrischen Maschine 30 ist zudem ein Laderegler LR zugeordnet, der die Batterie B innerhalb des Bordnetzes 110, entsprechend der noch verbleibenden Kapazität der Batterie B, mit Energie versorgt. Des Weiteren ist eine Recheneinheit, insbesondere ein Motorsteuergerät 122 vorgesehen, das Daten über eine Kommunikationsverbindung 124 mit der elektrischen Maschine 30 bzw. mit der Brennkraftmaschine 112 austauscht und dazu eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine 112 und die elektrische Maschine 30 entsprechend anzusteuern.
In 2b ist die elektrische Maschine 30 nochmals in vergrößerter Form schematisch dargestellt. Die elektrische Maschine 30 weist einen eine Welle 17 aufweisenden Rotor 32 mit einer Erregerwicklung und einem Stator 33 mit Ständerwicklung auf. Es handelt sich daher um eine fremderregte Maschine, wie sie insbesondere bei Kraftfahrzeugen üblich ist. Insbesondere für Krafträder, insbesondere bei Klein- und Leichtkrafträdern, werden jedoch meist Motoren mit Permanentmagneten, d. h. permanenterregte elektrische Maschine eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich beide Arten von elektrischen Maschinen verwendet werden, wobei insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine, beispielsweise einer permanenterregten elektrischen Maschine oder einer fremderregten elektrischen Maschine, abhängt.
Beispielhaft ist die elektrische Maschine 30 als Drehstromgenerator ausgebildet, in welcher drei zueinander um 120° phasenverschobenen Phasenspannungssignale induziert werden. Derartige Drehstromlichtmaschinen werden üblicherweise als Generatoren in modernen Kraftfahrzeugen verwendet und sind für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich alle elektrischen Maschinen unabhängig von der Anzahl ihrer Phasen verwendet werden, wobei insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine abhängt.
Die drei Phasen des Drehstromgenerators 30 sind mit U, V, W bezeichnet. Über das als Plusdioden 34 und Minusdioden 35 ausgebildete Gleichrichtelement, werden die an den Phasen abfallenden Spannungen gleichgerichtet. Zwischen den Polen B+ und B- liegt somit eine Generatorspannung U_G , bei welcher der Minuspol auf Masse liegt, an. Von einem derartigen Drehstromgenerator 30 werden beispielsweise eine Batterie B bzw. andere Verbraucher innerhalb des Bordnetzes 110 versorgt.
In 2c sind drei Diagramme dargestellt, die die zugehörigen Spannungsverläufe gegenüber dem Drehwinkel des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30 zeigen. Im oberen Diagramm sind die Spannungsverläufe an den Phasen U, V, W und die zugehörige Phasenspannung U_P eingetragen. Allgemein versteht sich, dass die in diesem Diagramm und in den nachfolgenden Diagrammen angegebenen Zahlen und Wertebereiche lediglich exemplarisch sind, und daher die Erfindung im Grundsatz nicht beschränken.
Im mittleren Diagramm ist die Generatorspannung U_G , die durch die Hüllkurven der positiven und negativen Halbwellen der Spannungsverläufe U, V, W gebildet wird, gezeigt.
Im unteren Diagramm ist schließlich die gleichgerichtete Generatorspannung U_G -(vgl. 2a), zusammen mit dem Effektivwert U_Geff dieser Generatorspannung U_G- , die zwischen B+ und B- anliegen, gezeigt.
In 3 ist schematisch der Stator 33 mit den Phasen U, V, W, sowie den Plusdioden 34 und Minusdioden 35 aus 2a gezeigt. Grundsätzlich versteht sich, dass die hier abgebildeten Gleichrichterelemente in Form von Plusdioden 34 und Minusdioden 35 im Falle eines aktiven Gleichrichters auch als Transistoren, insbesondere MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgebildet sein können (nicht dargestellt). Zudem ist die im Folgenden benutzte Nomenklatur der auftretenden Spannungen und Ströme dargestellt.
U_U , U_V , U_W bezeichnen die Phasenspannungen der zugehörigen Phasen U, V, W, wie sie zwischen einem Außenleiter und dem Sternpunkt des Stators 33 abfallen. U_UV , U_VW , U_WU , bezeichnen die Spannungen zwischen zwei Phasen bzw. deren zugehörigen Außenleitern.
I_U , I_V , I_W bezeichnen die Phasenströme vom jeweiligen Außenleiter einer Phase U, V, W zum Sternpunkt. I bezeichnet den Gesamtstrom aller Phasen nach der Gleichrichtung.
In 4a sind nun drei Phasenspannungen U_U , U_v , U_W mit Potentialbezug auf B- in drei Diagrammen gegenüber der Zeit dargestellt, wie sie in einem Generator mit einem Außenpolläufer mit sechs Permanentmagneten auftreten. Diese Darstellung einer elektrischen Maschine 30, mit einer dreiphasigen Statorwicklung 33 ist lediglich beispielhaft zu sehen, wobei grundsätzlich, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, das erfindungsgemäße Verfahren auch auf einem Generator mit einer entsprechend bedarfsgerechten Anzahl an Phasen oder Permanentmagneten oder Erreger-Spulen ausführbar ist. Ebenfalls können statt einer Stern-Verschaltung der Stator-Spulen auch eine Dreiecks-Verschaltung oder weitere Verschaltungsweisen gewählt werden.
Bei einer elektrischen Maschine 30 mit Stromabgabe, ist der Verlauf der Phasenspannungen U_U , U_V , U_W in erster Näherung rechteckförmig. Dies erklärt sich insbesondere dadurch, dass durch die Generatorspannung entweder die Plus- oder die Minusdioden in Flussrichtung leiten, und daher entweder in etwa 15-16 Volt (Batterieladespannung bei 12V Bleisäure-Akkumulator und Spannung an Plusdioden), oder Minus 0,7-1 Volt (Spannung an Minusdioden), gemessen wird. Bezugspotential der Messung ist jeweils Masse. Es können auch andere Bezugspotentiale wie zum Beispiel der Sternpunkt des Stators gewählt werden. Diese ergeben abweichende Signalverläufe ändern jedoch nicht die auswertbaren Informationen, deren Gewinnung und Auswertung.
Grundsätzlich können die Phasensignale (U_U , U_V , U_W , I_U , I_V , I_W ) auf verschiedene Weise gewonnen werden. Möglich ist beispielsweise eine Ermittlung der Phasenspannungen gegeneinander (U_UV , U_UW , U_WU ), 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 (U_U , U_V , U_W ) oder eine vergleichbare Auswertung der Phasenströme.
In 4b sind die Phasenspannungen U_U , U_V , U_W aus 4a in einem Diagramm zusammen aufgetragen. Hierbei ist deutlich der gleichmäßige Phasenversatz zu erkennen.
Während einer vollen Umdrehung des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30, werden die Spannungssignale durch sechs Magnete (insbesondere Permanentmagnete), die sogenannten Polpaare, sechs Mal wiederholt. Dementsprechend treten pro Phase, d. h. pro Phasenspannung U_U , U_V , U_W pro Umdrehung des Rotors 32 sechs fallende Flanken FL_D und sechs steigende Flanken FL_U (für die jeweiligen Phasen FL_UU , FL_VU , FL_WU und FL_UD , FL_VD , FL_WD ) auf.
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 FL_U , bzw. FL_D , bei Kenntnis eines absoluten Bezugspunkts pro Umlauf, der beispielsweise anhand eines Referenzmagneten mit von den sonstigen Magneten abweichender Charakteristik der Phasenspannung U_U , U_V , Uwgekennzeichnet ist, ermittelt werden.
Mit geeigneten Mitteln können nun sowohl die fallenden Flanken FL_D als auch die steigenden Flanken FL_U erkannt werden. Beispielsweise kann für jede Phasenspannung mittels eines sogenannten Schmitt-Triggers ein TTL-Signal generiert und an ein Steuergerät, insbesondere an das Motorsteuergerät 122, 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 122 (vgl. 2a), über je eine Leitung, oder durch eine vorgelagerte Kombinationselektronik oder anderes geeignet zusammengefasst, über nur eine Datenleitung 124 (vgl. 2a) übermittelt werden.
In 4b sind den Enden der jeweiligen fallenden Flanken der Phasenspannung U_U , U_V , U_W jeweils Werte W_U , W_V , W_W zugeordnet, die auch als W_Ud , W_Vd , W_Wd bezeichnet werden. Gleichermaßen können auch den steigenden Flanken FL_U entsprechende Werte W_Uu , W_Vu , W_Wu zugeordnet werden. Diese Werte können zur Erkennung der Drehwinkelposition α₁ des Rotors 32 bzw. der hieran gekoppelten Kurbelwelle 17' dienen. Auch eine Erkennung der Drehrichtung α+, α-des Rotors 32 anhand der Plateaubereiche der Phasensignale oder anderen Bereichen dazwischen ist möglich. Gleichermaßen können die Werte auch dazu genutzt werden, anhand von Zeitdifferenzen Δt₁ , Δt₂ , Δt₃ , die Drehzahl der elektrischen Maschine 30 zu ermitteln. Die Drehrichtung α₊ wird nachfolgend ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Vorwärtsrichtung bezeichnet. Dies ist die typische Drehrichtung einer Brennkraftmaschine 112 bzw. der hieran gekoppelten elektrischen Maschine 30 während des Betriebs. Die Drehrichtung α_- ist die entsprechende Gegenrichtung und wird als Rückwärtsrichtung bezeichnet.
Hierbei treten bei einer gleichmäßigen Anordnung der sechs Permanentmagnete in der elektrischen Maschine 30, insgesamt 18 fallende Flanken FL_d und somit 18 zugehörige Werte pro Umdrehung in jeweils gleichen Abständen zueinander auf. Während eine Zeitdifferenz Δt₁ , Δt₂ , oder Δt₃ wird somit ein Winkel 360°/18 = 20° überstrichen. Wie bereits eingangs erwähnt, kann dies auch zur Erkennung der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32 herangezogen werden, wobei die beispielhaft ermittelten 20° das detektierbare Winkelinkrement darstellt. Zudem lässt sich hieraus auch die Winkelgeschwindigkeit ω_i ermitteln. Diese ergibt sich aus ω_i = 20°/Δt_i und die dazugehörige Drehzahl n_i aus n_i = ω_i/360°·60s/min in Umdrehungen pro Minute. Eine hochgenaue Drehwinkelposition α der Kurbelwelle 17 kann nun aus der der Drehwinkelposition α₁ des Rotors 32 als erstem Beitrag KW1 und einem weiteren Beitrag KW2 berechnet werden (vgl. 4c). Die Beiträge KW1 und KW2 können auch in redundanter Form zur Verfügung stehen, für den Fall, dass aus einem der Beiträge eine Drehwinkelposition α, insbesondere defektbedingt, nicht ermittelbar ist.
In 4c ist nochmals ein Signal einer Phasenspannung U_U (vgl. 4a) gezeigt. Vorliegend wird mit einer abfallenden Flanke FL_UG auf eine entsprechende erste Kurbelwellenposition erkannt, die als erster Beitrag KW1 in die Ermittlung einer hochgenauen Drehwinkelposition α der Kurbelwelle eingeht. Der zweite Beitrag KW2 ergibt sich aus der Drehwinkelposition α_aprox der Kurbelwelle 17, die aus dem Signal U_Int des Drehwinkelsensors 10 hervorgeht. Bei dem Signal U_Int des Drehwinkelsensors 10 wird entsprechend bei der Flanke F1, die mit der Position eines Übergangs von einem Zahn 22 zu einem Leerraum L₀ assoziiert ist, auf die entsprechende Kurbelwellenposition α_aprox erkannt. Durch den Abgleich der mit dem Rotor 32 der elektrischen Maschine 30 verbundenen Drehwinkellage α_Phase mit der Drehwinkelposition α_aprox des Drehwinkelsensors 10 bzw. der sich jeweils hieraus ergebenen Beträge KW1 und KW2 kann entsprechend durch Differenzbildung von KW1-KW2 ein Unterschied ΔKW berechnet werden, mittels dem etwaige Korrekturterme T bestimmbar sind, mittels denen entweder die mittels der Phasensignale ermittelten Drehwinkellage α_Phase oder das mittels des Drehwinkelpositionssensors 10 ermittelte Drehwinkelposition α_aprox entsprechend korrigiert werden kann, wodurch eine hochaufgelöste Drehwinkelpositionsbestimmung α der Welle 17 möglich ist. Diese Drehwinkelpositionsbestimmung kann, wie zuvor beschrieben, bei verschiedenen Drehzahlen N der elektrischen Maschine bzw. bei unterschiedlichen Betriebsmodi der elektrischen Maschine 30, wie beispielweise dem Lastbetrieb, bei dem die elektrische Maschine 30 unter Last, also mit Stromabgabe an eine etwaige Batterie betrieben wird, oder entsprechend in einem weiteren Betriebszustand, indem die elektrische Maschine 30 lastfrei, betrieben wird, entsprechend durchgeführt werden. Anhand der unterschiedlichen Drehzahlen bzw. Betriebsmodi der elektrischen Maschine 30 können die daraus ermittelten Korrekturfaktoren T entsprechend in einem Speicher hinterlegt werden, um die aus den Phasensignalen U ermittelte Drehwinkelposition α_Phase bzw. die aus dem Drehwinkelsensor 10 ermittelte Drehwinkelposition α_aprox entsprechend im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine 30 korrigieren zu können.
Es versteht sich, dass alternativ oder kumulativ zum Drehzahl- bzw. Drehwinkelsensor 10 an der Kurbelwelle 17 auch ein entsprechender Sensor an der Nockenwelle verwendbar ist (nicht abgebildet). Hierfür wird, analog zur Verwendung des Sensors 10, der Winkel zwischen den Signalflanken des Nockenwellensensors und entsprechenden Flanken des Generatorsignals abgespeichert. Durch die Auftrittsreihenfolge der jeweiligen Signalflanken kann die Drehrichtung der Welle 17 bestimmt werden. Liegen beispielsweise 2 °KW (Grad Kurbelwelle) zwischen einer Flanke des Nockenwellensensor-Signals und des Phasensignals der elektrischen Maschine 30 und wird zuerst die Flanke des Nockenwellensensor-Signals und anschließend die Flanke des Phasensignals der elektrischen Maschine 30 detektiert, dreht die Kurbelwelle in Vorwärtsrichtung. Wird stattdessen die Flanke des Phasensignals der elektrischen Maschine 30 zuerst detektiert, dreht die Kurbelwelle rückwärts.
Üblicherweise besitzt ein Nockenwellengeberrad unterschiedlich breite Zähne und Lücken, während das Kurbelwellen-/Drehzahlgeberrad gleichmäßig ausgeprägte Zähne besitzt. Daher muss für das Nockenwellensensor-Signal zu jeder Signalflanke der Winkel zur nächsten Generatorsignalflanke abgelegt werden. Liegt zwischen zwei Signalflanken des Nockenwellensensors nur eine Signalflanke des Phasensignals der elektrischen Maschine 30 beziehungsweise liegt zwischen zwei Signalflanken des Phasensignals der elektrischen Maschine 30 nur eine Signalflanke des Nockenwellensensors und ist die Winkeldifferenz zwischen diesen Flanken identisch, lässt sich für diese Flankenabfolge keine Drehrichtung bestimmen. Durch die Wahl geeigneter Einbaupositionen von Nockenwellengeberrad und elektrischer Maschine 30 kann eine solche Abfolge vermieden werden. Optimaler Weise werden die Einbaupositionen von Nockenwellengeberrad und elektrischer Maschine 30 so gewählt, dass eindeutige Winkeldistanzen für alle Signalflanken vorliegen und damit jede auftretende Signalflanke zur Bestimmung der Drehrichtung verwendet werden kann. Aufgrund der unterschiedlich breiten Lücken und/oder Zähnen am Geberrad, kann eine besonders schnelle Synchronisierung des Signals aus Generator auf absolute Nockenwellenposition und in Folge auch auf die Kurbelwellenposition erfolgen.
Darüber hinaus versteht sich, dass es sich bei den beiden Bezugsquellen der Drehwinkelposition α um redundante Quellen handelt. D. h. die Bestimmung der Drehwinkellage α_Phase aus den Phasensignalen U, V, W der elektrischen Maschine 30 sind unabhängig von den bestimmten Drehwinkelpositionen α_aprox des Drehwinkel bzw. Drehzahlsensors 10, weshalb diese Größen grundsätzlich auch bei einer Störung oder Beschädigung der jeweiligen Sensorik eine sichere Drehwinkelpositionsbestimmung α der Kurbelwelle 17' bzw. der Nockenwelle auch in einem Störbetrieb stets sicher gewährleisten kann.
Es versteht sich grundsätzlich, dass alternativ zu den fallenden Flanken FL_D auch die steigenden Flanken FL_U der jeweiligen Phasen U, V, W zur Ermittlung der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32 als auch zur Ermittlung der Momentandrehzahl n_Gen der elektrischen Maschine 30 verwendbar sind. Durch die doppelte Anzahl an Werten pro Umdrehung, ergibt sich dementsprechend eine höhere Auflösung, sowohl der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32, als auch der Drehzahl n_Gen . Zudem können die Flanken der Phasen auf vielfältige weitere Art und Weise ausgewertet werden, beispielsweise durch die zeitlichen Abstände der steigenden Flanken FL_U und fallenden Flanken FL_D jeweils der gleichen Phasen oder von den jeweiligen Phasen zueinander oder durch den zeitlichen Abstand von steigenden Flanken FL_U bzw. fallenden Flanken FL_D der gleichen Phase, oder aller Phasen zusammen.
Neben den aufsteigenden Flanken FL_U und abfallenden Flanken FL_D können für die Ermittlung als solche oder eine verbesserte Auflösung der Ermittlung der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32 bzw. einer Drehzahlerkennung n_Gen , auch die Nulldurchgänge W_U0 , W_V0 , W_W0 der Phasensignale U_U , U_V , U_W herangezogen werden.
Die tatsächliche Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 und dessen Welle 17 und damit die Drehwinkelposition α der Kurbelwelle 17', lassen sich aus den elektrischen Signalen der elektrischen Maschine 30, insbesondere den Phasensignalen U_U , U_V , U_W , bzw. den dazugehörigen Phasenströmen I_U , I_V , I_W im Allgemeinen lediglich mit unzureichender Genauigkeit bestimmen, da im Falle einer belasteten elektrischen Maschine 30 infolge des StromFL_U sses, es zu einem systematischen Fehler in Form eines Winkelversatzes zwischen der Phasenlage der Phasensignale U_U , U_V , U_W , bzw. I_U , I_V , I_W und der tatsächlichen Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 kommt. Dies wird im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. In 5a) ist ein tatsächlicher zeitlicher Drehzahlverlauf n sowie derselbe Drehzahlverlauf auf Basis des Signals, vorliegend in Form eines TTL-Signals, einer elektrischen Maschine, und in 5b) ein vergrößerter zeitlicher Ausschnitt des entsprechenden TTL-Signals aus dem Diagramm aus 5a), gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Anhand dieser Diagramme soll das Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition α,α₁ einer Welle 17, bei der die elektrische Maschine 30 sich während einer Bestimmung des Winkelversatzes ϑ, gemäß dieser Ausführungsform zumindest zeitweise im Betriebszustand Z_L (Leerlauf) befindet, erläutert werden. Auf die Ermittlung der Drehwinkelposition α,α₁ wird im nachfolgenden Verlauf der Beschreibung weiter eingegangen.
Der Betriebszustand Leerlauf Z_L zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der StromFL_U ss I innerhalb der elektrischen Maschine 30 unterbrochen zumindest jedoch sehr klein ist und somit während dieses Betriebszustands der Winkelversatz ϑ auf etwa 0° gesetzt wird (vergleiche nachfolgende Gleichungen).
Dieses Verfahren lässt sich bevorzugt mit einem digitalen Spannungsregler 40 a, 40 b realisieren, der dazu eingerichtet ist, den Generator 30 vom Bordnetz bzw. von der Batterie B zu trennen, so dass ein StromFL_U ss I zwischen dem Generator 30 und der Batterie unterbleibt. Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren kann somit eine sehr präzise Schätzung des Polradwinkels (Winkelversatzes ϑ) erfolgen, welche entweder in Alleinstellung zur Ermittlung der Drehwinkelposition α,α₁ einer Welle 17 heranziehbar ist oder auf Basis dessen eine Korrektur einer bereits vorhandenen Polradwinkel-Kernlinie, wie sie mithilfe des Verfahrens ermittelbar ist, wie es im Rahmen der 7 und 9 beschrieben ist.
Innerhalb eines Arbeitsspiels der elektrischen Maschine 30, welches einer vollen Umdrehung von 360° entspricht, werden drei aufeinanderfolgende Spannungsflanken FL_U bzw. FL_D mit den dazugehörigen Werten W_Uu bzw. W_Ud zur Ermittlung des Polradwinkels ϑ ausgewählt. Hierbei wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine Phase der elektrischen Maschine 30 herangezogen, wobei das hiermit verbundene Phasensignal U, I eine erste Flanke FL₁ mit dem dazugehörigen Wert W₁ , eine zweite Flanke FL₂ mit dem dazugehörigen Wert W₂ und eine zeitlich dazwischen angeordnete dritte Flanke FL₃ mit dem dazugehörigen Wert W₃ aufweist. Es ist bevorzugt, dass die drei Flanken FL₁ , FL₂ , FL₃ unmittelbar benachbart sind.
Jedoch können auch zeitlich weiter auseinanderliegende Flanken herangezogen werden, was insbesondere bei höheren Drehzahlen n der elektrischen Maschine 30 Vorteile bezüglich des Auflösungsvermögens des Polradwinkels ϑ hat. Dies hängt insbesondere mit dem Schalten zwischen den Betriebszuständen Z_L,KS bzw. dem Betriebszustand Z_B , in dem die elektrische Maschine 30 motorisch bzw. generatorisch betrieben wird, zusammen, da die Zeitkonstanten typischer Einschwingvorgänge zwischen den jeweiligen Schaltzyklen zwischen den Betriebszuständen Z_L,KS und Z_B EinFL_U ss auf das Messergebnis haben. Die zuvor gemachten Ausführungen betreffen sowohl das erste als auch das weitere Ausführungsbeispiel (vgl. 6) gleichermaßen.
Die elektrische Maschine 30 wird durch den Spannungsregler 40 nun derart geschaltet, dass sich im Zeitbereich der ersten Flanke FL₁ und der dritten Flanke FL₃ die elektrische Maschine 30 im Betriebszustand Z_B befindet. Im Zeitbereich der dritten Flanke FL₃ wird der Spannungsregler 40 im Zeitpunkt t_L nun derart geschaltet, dass die elektrische Maschine 30 nicht mehr bestromt wird, wodurch sich ein Polradwinkel ϑ von 0° einstellt. Hierdurch verschiebt sich die dritte Flanke FL₃ in Bezug zu t_L um den Betrag Δ ϑ zeitlich nach vorn (in Richtung der ersten Flanke FL₁ ). Da während des Leerlaufzustands Z_L kein Strom fließt, entspricht somit Δ ϑ dem absoluten, zum jeweiligen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine 30 zugeordneten Polradwinkel ϑ.
Hierbei ist bevorzugt, die Schaltzeitpunkte des Spannungsregler 40 derart zu wählen, dass diese zeitlich direkt nach der erste Flanke FL₁ bzw. nach der dritten Flanke FL₃ liegen um zu gewährleisten, dass mögliche Einschwingvorgänge und entsprechende transiente Zustände für die Ermittlung des Polradweges abgeschlossen sind, bevor die nächste Spannungsflanke auftritt. Es versteht sich, dass es sich hierbei wiederum um unmittelbar benachbarte Spannungsflanken handeln kann, jedoch auch zeitlich weiter entfernte Spannungsflanken zur Ermittlung des Polradwinkels ϑ heranziehbar sind.
Es kann zudem der Trend der Drehzahl n über die 3 Flanken berücksichtigt werden. Es ist zudem bevorzugt, dass eine Ermittlung des Polradwinkels ϑ in Zeitbereichen t_mes kleiner Drehzahldynamik und/oder eines geringen Drehzahlgradienten Δn erfolgt, wobei vorzugsweise der Drehzahlgradient Δn in etwa Null ist. Zur Bestimmung eines geeigneten Messfensters kann ein Schwellwertvergleich durchgeführt werden, wobei ein geeigneter Schwellwert maschinenspezifisch wählbar ist.
Zur Ermittlung der Verschiebung Δ ϑ bzw. des Absolutwerts ϑ wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass zwischen den Flanken ein Winkelabstand von 10° liegt und der winkelgemäße Abstand zwischen erster Flanke FL₁ und letzter Flanke FL₃ 20 ° beträgt, woraus sich nachfolgende Relation ergibt: $\frac{t_{x}}{t_{x} + t_{y}} = \frac{10 ° - Δϑ}{20 °},$
wobei sich umgestellt nach Δ ϑ folgende Form ergibt: $ϑ = Δϑ - 0 ° = 10 ° * \frac{t_{y} - t_{x}}{t_{y} + t_{x}},$
wobei t_x die Zeit zwischen erster FL₁ und dritter Flanke FL₃ und t_y die Zeit zwischen dritter Flanke FL₃ und der zeitlich nachgelagerten zweiten Flanke FL₂ bezeichnet.
Wie nach obiger Formel ersichtlich, lässt sich anhand dieser Relation der Polradwinkel ϑ unmittelbar ermitteln. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, den Drehzahltrend Δn über die zur Ermittlung verwendeten Flanken FL₁ , FL₂ , FL₃ zu berücksichtigen. Eine Möglichkeit dies zu tun, wäre den Drehzahltrend Δn in vergleichbaren Arbeitsspielen zu lernen und als entsprechendes Kennfeld zu hinterlegen. Alternativ kann der Gradient Δ der Drehzahl n gerechnet über eine Umdrehung der Welle 17 verwendet werden und über eine applizierte Kennlinie in Abhängigkeit der Steigung korrigiert werden.
Wie bereits erwähnt, wird das zuvor bezeichnete Verfahren in Bereichen mit geringem Drehzahlgradienten Δn verwendet. Hierzu eignen sich speziell Betriebszustände der Brennkraftmaschine im Bereich des oberen Totpunktes der Gaswechselphase bei einem Einzylindermotor oder alternativ auch im Bereich von 180° vor dem Zünd-OT. Alternativ kann das Verfahren auch vorteilhaft während der Ausschiebphase der Brennkraftmaschine oder in Betriebszuständen, in denen keine Verbrennung stattfindet (Schubbetrieb), stattfinden.
Grundsätzlich versteht sich, dass das zuvor beschriebene Verfahren entweder in Alleinstellung zur Bestimmung des Polradwinkels ϑ oder auch in Kombination mit dem bezüglich der 7 und 9 beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Polradwinkel ϑ verwendet werden kann, wobei sich bei einer Kombination beider Verfahren zum einen eine Redundanz und zum anderen eine genauere Bestimmung des Polradwinkel ϑ ergibt. Diese Redundanz kann dazu verwendet werden, die hinterlegten Kennlinien für den Polradwinkel ϑ online zu adaptieren. Damit können Ungenauigkeiten in der Kennlinie, die durch Alterung verschiedener Komponenten, zum Beispiel der Permanentmagnete der elektrischen Maschine, oder durch Serienstreuungen entstehen ausgeglichen werden und damit die Genauigkeit der Polradwinkelbestimmung laufend verbessert werden.
In 6a) ist ein tatsächlicher zeitlicher Drehzahlverlauf n sowie derselbe Drehzahlverlauf auf Basis des Signals, vorliegend in Form eines TTL-Signals, einer elektrischen Maschine, und in 6b) ein vergrößerter zeitlicher Ausschnitt des entsprechenden TTL-Signals aus dem Diagramm aus 5a), gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Anhand dieser Diagramme soll das Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition α,α₁ einer Welle 17, bei der die elektrische Maschine 30 sich während einer Bestimmung des Winkelversatzes ϑ, gemäß dieser weiteren Ausführungsform, zumindest zeitweise im Betriebszustand Z_KS (Kurzschluss) befindet, erläutert werden.
Der Betriebszustand Kurzschluss Z_KS zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Ausgang der elektrischen Maschine 30 in einen Kurzschlussähnlichen Zustand durch eine sehr niederohmige Last versetzt wird, wodurch während dieses Betriebszustands Z_KS der Winkelversatz ϑ auf einen festen Wert ϑ_KS gesetzt wird, welcher gelernt werden kann bzw. innerhalb eines Speichers zur Verfügung gestellt sein kann.
Dieses Verfahren lässt sich bevorzugt mit einem digitalen Spannungsregler 40 a, 40 b realisieren, wie beispielhaft in 8a), b) beschrieben ist. Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren kann somit eine sehr präzise Schätzung des Polradwinkels (Winkelversatzes ϑ) erfolgen, welche entweder in Alleinstellung zur Ermittlung der Drehwinkelposition α,α₁ einer Welle 17 heranziehbar ist oder auf Basis dessen eine Korrektur einer bereits vorhandenen Polradwinkel-Kennlinie, wie sie mithilfe des Verfahrens ermittelbar ist, wie es z.B. im Rahmen der 7 und 9 beschrieben ist. Das in 8b) dargestellte Ausführungsbeispiel weist neben dem Spannungsregler 40 b noch eine Drehzahl - bzw. Drehwinkelpositionseinheit 43 auf, die aus den charakteristischen Werten der Spannungsflanken FL_U bzw. FL_D bzw. den dazugehörigen Werten W_Uu bzw. W_Ud aber auch anhand der Nulldurchgänge der Phasensignale U,V,W die Drehwinkelposition und/oder die Drehzahl der elektrischen Maschine 30 bestimmen kann. Der Drehzahl - bzw. Drehwinkelpositionseinheit 43 kann, wie in 8b dargestellt, auch noch eine das Phasensignal vorverarbeitende Einheit 44 vorgeschaltet sein.
Das weitere Verfahren verläuft grundsätzlich sehr ähnlich wie das erste Verfahren (5a), b)), weshalb nachfolgend im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen wird. Abweichend von dem zuvor beschriebenen Verfahren bzgl. des Leerlaufzustands Z_L wird die elektrische Maschine 30 durch den Spannungsregler 40 nun derart geschaltet, dass sich im Zeitbereich der ersten Flanke FL₁ und der dritten Flanke FL₃ die elektrische Maschine 30 im Betriebszustand Z_B befindet. Im Zeitbereich der dritten Flanke FL₃ , die sich zeitlich zwischen der ersten Flanke FL₁ und der zweiten Flanke FL₂ befindet, wird der Spannungsregler 40 im Zeitpunkt t_KS nun derart geschaltet, dass die elektrische Maschine 30 kurzgeschlossen wird, wodurch sich ein Polradwinkel ϑ = ϑ_KS einstellt. Hierdurch verschiebt sich die dritte Flanke FL₃ in Bezug zu tks um den Betrag Δ ϑ zeitlich nach hinten, d.h. in Richtung der letzten Flanke FL₂ .
Für einen Spannungsregler 40, dessen Eingriff hinter den gleichrichtenden Elementen, wie zum Beispiel Dioden, des Gleichrichters stattfindet, stellt ein Kurzschluss eine konstante Spannung an den Ausgängen der elektrischen Maschine 30 von näherungsweise der zweifachen Spannung an den gleichrichtenden Elementen im Normalbetrieb dar, wobei der Spannungsabfall im Spannungsregler selbst gegen Null geht. Somit kann bei Vorliegen eines Kurzschlusses der Polradwinkel ϑ_KS als Kennlinie in Abhängigkeit der Flankenzeit hinterlegt werden die mit der gleichen Vorgehensweise wie die Kennlinie für eine elektrische Maschine 30 im Leerlaufzustand, wie im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels bereits beschrieben, bestimmt werden kann. Somit nimmt der Polarwinkel ϑ im vorliegenden Fall 2 Werte an, je nachdem, ob ein Eingriff des Reglers 40 stattfindet oder nicht.
Hierbei ist bevorzugt, die Schaltzeitpunkte des Spannungsregler 40 derart zu wählen, dass diese zeitlich direkt nach der erste Flanke FL₁ bzw. nach der dritten Flanke FL₃ liegen um zu gewährleisten, dass mögliche ein Schwingvorgänge und entsprechende transiente Zustände für die Ermittlung des Polradweges abgeschlossen sind, bevor die nächste Spannungsflanke auftritt. Es versteht sich, dass es sich hierbei wiederum um unmittelbar benachbarte Spannungsflanken handeln kann, jedoch auch weiter entfernte Spannungsflanken zu Ermittlung des Polradwinkels ϑ heranziehbar sind.
Es kann zudem der Trend der Drehzahl n über die 3 Flanken berücksichtigt werden. Es ist zu dem bevorzugt, dass eine Ermittlung des Polradwinkels ϑ in Zeitbereichen t_mes kleiner Drehzahldynamik und/oder eines geringen Drehzahlgradienten Δn erfolgt, wobei vorliegend der Drehzahlgradient Δn in etwa Null ist.
Zur Ermittlung der Verschiebung Δ ϑ wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass zwischen den Flanken ein Winkelabstand von 10° liegt und der winkelgemäße Abstand zwischen erster Flanke FL₁ und letzter Flanke FL₃ 20° beträgt, woraus sich nachfolgende Relation ergibt: $\frac{t_{x}}{t_{x} + t_{y}} = \frac{10 ° + Δϑ}{20 °},$
wobei sich umgestellt nach Δ ϑ folgende Form ergibt: $ϑ = ϑ_{K S} - Δϑ = ϑ_{K S} - (10 ° * \frac{t_{x} - t_{y}}{t_{y} + t_{x}}),$
wobei t_x die Zeit zwischen erster FL₁ und dritter Flanke FL₃ und t_y die Zeit zwischen dritter Flanke FL₃ und der zeitlich nachgelagerten zweiten Flanke FL₂ bezeichnet.
In 7a ist eine schematische Darstellung eines einphasigen vereinfachten Ersatzschaltbilds einer elektrischen Maschine gezeigt, und in 7b ist entsprechend die Beziehung zwischen den einzelnen Spannungen bzw. Strömen und deren relativer Phasenversatz zueinander in einem Zeigerdiagramm dargestellt. Die aus diesem Einphasenersatzschaltbild ermittelten Erkenntnisse lassen sich grundsätzlich auch auf eine mehrphasige elektrische Maschine, wie sie beispielsweise in der vorangegangenen Beschreibung gezeigt ist, übertragen. Aus dem einphasigen Ersatzschaltbild der elektrischen Maschine aus 7 a) und dem zugehörigen, in 7 b) gezeigten Zeigerdiagramm, lässt sich eine Spannungsgleichung für eine belastete elektrische Maschine herleiten, diese lautet wie folgt: $U_{P} = jX*I + U,$
wobei U der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine 30, U_P der Leerlaufspannung der elektrischen Maschine ohne Belastung und I * jX dem Spannungsabfall U_X , der aufgrund des StromFL_U sses durch die elektrische Maschine und aufgrund der Reaktanz X der elektrischen Maschine im Generator abfällt, entspricht.
Hierbei entspricht die Leerlaufspannung U_P der elektrischen Maschine 30, der idealen induzierten Spannung, die mit der Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 bezüglich der Phase übereinstimmt. Hierbei ist entsprechend der Winkelversatz ϑ, der dem Polradwinkel entspricht, gleich null. Somit spiegelt die Phasenbeziehung der Leerlaufspannung U_P exakt der geometrischen Bewegung des Rotors 32 wieder und gibt somit dessen exakte Winkellage - im unbelasteten Zustand der elektrischen Maschine 30 - an.
Aufgrund der Belastung der elektrischen Maschine 30 und des daraus resultierenden StromFL_U sses I, eilt die Ausgangsspannung U des belasteten Generators 30 in Bezug auf deren Phase der induzierten Leerlaufspannung U_P hinterher, wobei sich der Winkelversatz zwischen U und U_P durch den Winkelversatz ϑ, dem sogenannten Polradwinkel ergibt. Dieser ist grundsätzlich abhängig vom Spulenstrom I und ohne Kenntnis des Spulenstroms I nicht ohne weiteres berechenbar.
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) U_P 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 7 b) ergibt sich somit für den Winkelversatz ϑ: $(cos (ϑ) = (U + sin (φ) * X*I) / U_{P} .$
Bei Verwendung eines digitalen Spannungsreglers 40 (vergleiche hierzu 8a), b)), der entweder in Alleinstellung 40a oder in ein Motorsteuergerät 41 für eine Brennkraftmaschine integriert ist, bzw. einer Ansteuerung eines Stellgliedes 42 für einen Spannungsreglers 40 , das beispielsweise in Form eines Leistungstransistors ausgebildet ist und bevorzugt im linearen Bereich (Triodenbereich) arbeitet, lässt sich die Ausgangsspannung U der elektrischen Maschine 30 zumindest in den Schaltbereichen ohne Regeleingriff nahezu konstant (in Bezug auf die Batteriespannung) einregeln. Weiterhin führt die Verwendung eines Gleichrichters (34, 35) mit einer nachgeschalteten Batterie (B) am Ausgang des Generators 30 näherungsweise zu einer rein ohmschen Last, auch wenn im Bordnetz kleinere Kapazitäten auftreten können. Hiermit geht entsprechend der Winkelversatz zwischen Ausgangsspannung U und Strom I, φ, gegen 0, wobei der Summand aus der zuvor genannten Formel (sin (φ) * X * I) ebenfalls gegen 0 geht und damit verschwindet.
Die Leerlaufspannung U_P ist grundsätzlich proportional zur Drehzahl n_Gen der elektrischen Maschine 30. Somit vereinfacht sich die zuvor genannte Formel, unter der Annahme einer im Wesentlichen konstanten Amplitude der Ausgangsspannung U und der Annahme, dass φ gegen Null geht und somit der zweite Summand verschwindet, auf die Relation: $ϑ_{aprox} = {cos}^{- 1} (const {./n}_{Gen}),$
wobei sich die Konstante const. im Wesentlichen aus der konstanten Ausgangsspannung U und dem konstanten und damit nicht von der Drehzahl n_Gen abhängigen Anteil der Leerlaufspannung U_P ergibt.
Wählt man eine Darstellung der Formel für ϑ_aprox in Abhängigkeit der Flankenzeit t_Gen statt der Drehzahl n_Gen , ergibt sich folgender Zusammenhang von ϑ_aprox und t_Gen : $ϑ_{aprox} = {cos}^{- 1} (const {.' * t}_{Gen}),$
wobei const.‘ neben den konstanten Faktoren von oben noch den konstanten Faktor zur Berechnung der Flankenzeit t_Gen in Sekunden aus der Drehzahl n_Gen in Umdrehungen pro Minute (rpm) enthält.
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.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Batterieregelung bzw. einer entsprechenden Regelung der Batteriespannung, kann der Winkelversatz ϑ, gemäß diesem noch weiteren Ausführungsbeispiel, in erster Näherung auch ohne Kenntnis des StromFL_U sses I hinreichend genau abgeschätzt werden, was eine sehr verlässliche Ermittlung des Winkelversatzes ϑ zwischen der Phasenlage der Phasenspannungen U_U , U_V , U_W und der tatsächlichen Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 zulässt. Demnach kann eine aus den Phasenspannungen U_U , U_V , U_W ermittelte Drehwinkellage α_Phase des Rotors 32 entsprechend durch den Winkelversatz ϑ, der von der jeweiligen Drehzahl n_Gen abhängt, korrigiert werden. Hieraus kann entsprechend die tatsächliche Drehwinkelposition α der Kurbelwelle 17 der Brennkraftmaschine bzw. der Drehwinkellage α₁ des Rotors 32, ermittelt werden. Diese stehen im Falle einer festen Kopplung zwischen der Welle des Rotors 32 und der Kurbelwelle 17 in einem festen Verhältnis zueinander. Es gilt daher ohne Beschränkung der Allgemeinheit α = α₁, aber α₁ ist in den Phasensignalen U_U , U_V , U_W , I_U , I_V , I_W nicht mehr sichtbar, sobald ein Strom fließt.
Durch entsprechende Ermittlung der unkorrigierten Drehwinkelposition α_Phase aus zumindest einem der Phasensignalen U_U , U_V , U_W , I_U , I_V , I_W und die zuvor beschriebene Ermittlung des Polradwinkels ϑ, kann die tatsächliche Winkelposition α₁ durch: $α_{1} \approx α_{Phase} + ϑ$
in besonders guter Näherung ermittelt werden.
Grundsätzlich versteht sich, dass das Verfahren gemäß dem noch weiteren Ausführungsbeispiel entweder in Alleinstellung zur Bestimmung des Polradwinkels ϑ oder auch in Kombination mit dem im ersten und weiteren Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Polradwinkel ϑ verwendet werden kann, wobei sich bei einer Kombination der jeweiligen Verfahren miteinander zum einen eine Redundanz und zum anderen eine genauere Bestimmung des Polradwinkels ϑ und damit auch der Winkelposition α₁ der Welle 17 ergibt. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, dass die aus den jeweiligen Verfahren ermittelten Polradwinkel ϑ miteinander verglichen werden. Liegt nun die Abweichung der ermittelten Polradwinkel ϑ aus den jeweiligen Verfahren außerhalb eines Toleranzbereiches, kann das Ergebnis des Verfahrens dazu verwendet werden, die hinterlegten Kennlinien für den Polradwinkel ϑ online zu adaptieren. Damit können Ungenauigkeiten in der Kennlinie, die durch Alterung verschiedener Komponenten, zum Beispiel der Permanentmagnete der elektrischen Maschine, oder durch Serienstreuungen entstehen ausgeglichen werden und damit die Genauigkeit der Polradwinkelbestimmung laufend verbessert werden. Weiter kann die Redundanz auch dazu genutzt werden um Sicherheitsanforderungen, insbesondere ASIL, und/oder Diagnoseanforderungen zu erfüllen.
In 9a) ist die zuvor bezeichnete Relation zwischen dem Winkel ϑ und der Drehzahl n_Gen aufgetragen. Diese Daten können beispielsweise in Form eines Kennfeldes in einem jeweiligen Steuergerät 122 hinterlegt werden und die tatsächliche Drehwinkelposition α₁ des Rotors 32 und damit Drehwinkelposition α der Kurbellwelle 17' der Brennkraftmaschine 112 mit deutlich verbesserter Genauigkeit ermittelt werden.
In 9b) ist der Winkelversatz ϑ, bzw. der Polradwinkel über der Flankenzeit angegeben, wobei die Flankenzeit die charakteristischen Zeitbereiche der aufsteigenden und abfallenden Flanken FL_U und FL_D der Phasenspannungen U_U , U_V , U_W (vgl. beispielsweise 4a) bezeichnen. Hierbei kann entsprechend der obigen Beschreibung der Verlauf des Winkelversatzes ϑ bzw. des Polradwinkels entsprechend durch eine Gerade mit negativer Steigung angenähert werden. Wie bereits eingangs dargestellt, haben die angegebenen Wertebereiche lediglich erläuternden Charakter und sollen die Erfindung nicht beschränken.
Ähnlich wie bei der Bestimmung der Drehrichtung mittels Vergleich der Drehzahlsignale aus Generator und aus zumindest einem Wellenpositionssensor kann das Wissen über den geometrischen Versatz der Signalflanken der zumindest zwei Signale dazu verwendet werden, die Genauigkeit des Generatorsignals durch Adaption der auf dem Steuergerät 122 hinterlegten Relation von Polradwinkel ϑ und der Drehzahl n_Gen zu verbessern.
Durch den Polradwinkel werden die Auftrittszeitpunkte der Flanken des Generatorsignals verzögert. Damit vergrößert sich der messbare Versatz der Signalflanken der zumindest zwei Drehzahlsignale gegenüber dem geometrischen Versatz. Die Differenz aus messbarem und geometrischem Versatz entspricht, wie bereits eingangs beschrieben, dem Polradwinkel und wird durch die gespeicherte Relation für den jeweils vorliegenden Betriebspunkt dargestellt.
Weicht der gespeicherte Wert von der gemessenen Differenz ab, kann das auf Ungenauigkeiten bei der ursprünglichen Bestimmung der Relation, Serienstreuungen der einzelnen Komponenten, Alterungseffekte oder andere Ursachen zurückzuführen sein.
Um die Bestimmung des Winkelversatzes ϑ über die gesamte Betriebszeit möglichst genau zu realisieren, kann die Abweichung zwischen gespeichertem Wert und gemessener Differenz dazu verwendet werden, die gespeicherte Relation zu korrigieren und für den weiteren Betrieb mit der korrigierter Relation zu arbeiten.
Ist eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelwellensensor und einem Nockenwellensensor, sowie der Möglichkeit, die Kurbelwelleninformationen mittels Generator zu bestimmen, ausgestattet, kann aus Kostengründen auf eines der drei Signale und die damit verbundene Sensorik verzichtet werden und die vorgestellten Verfahren trotzdem angewendet werden.
Es bietet sich in diesem Fall an, auf den Kurbelwellensensor zu verzichten, da dessen Kosten häufig über der Generatorbasierten Signalerfassung liegt und mit den generatorbasierten Signalen eine redundante Information der gleichen Drehwelle bereitgestellt wird. Die Kombination aus Informationen der Kurbelwelle und Nockenwelle bietet neben der redundanten Information über die Brennkraftmaschine im regulären Betrieb auch Informationen über Abweichungen der Wellenbewegungen, die auf einen etwaigen Fehlerfall zurückführbar sein können (z.B. beschädigte Kopplung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle, gerissener Zahnriemen, etc.).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0664887 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition (α) einer Welle (17), insbesondere einer Kurbelwelle (17') oder Nockenwelle 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_V, U_W, I_U, I_V, I_W) der elektrischen Maschine (30) zumindest einen Wert (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, Wuo, Wvo, Wwo) aufweist, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors (32) auftritt, wobei ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, W_U0, W_V0, W_W0) zur Bestimmung einer Drehwinkellage (α_Phase) des Rotors (32) genutzt wird, wobei die Drehwinkelposition (α) der Welle 17 aus einem ersten Beitrag (KW1), aufweisend die Drehwinkellage (α_Phase) des Rotors (32), und einem weiteren Beitrag (KW2), aufweisend eine Drehwinkelposition (α_aprox) der Welle 17, welche durch einen Sensor (10) bestimmt wird, berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Beitrag (KW1) mit dem weiteren Beitrag (KW2) verglichen wird, wobei aus der Differenz (ΔKW) des ersten Beitrags (KW1) und des weiteren Beitrags (KW2) ein Korrekturterm (T) berechnet wird, mittels dem vorzugsweise aus dem ersten Beitrag (KW1) die Drehwinkelposition (α) der Welle 17 bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Drehwinkelposition (α) der Welle 17 bei verschiedenen Drehzahlen (n) bestimmt, insbesondere gelernt, wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Drehwinkelposition (α) der Welle 17 bei verschiedenen Betriebsmodi der elektrischen Maschine (30), insbesondere im Lastbetrieb oder lastfreien Betrieb der elektrischen Maschine, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehwinkellage (α_Phase) des Rotors (32) durch einen Winkelversatz (ϑ) korrigiert wird, wobei der Winkelversatz (ϑ) derart ermittelt wird, dass Zeitintervalle (t_x, t_y) zwischen einem ersten Wert (W₁), einem zweiten Wert (W₂) und zumindest einem zeitlich dazwischen angeordneten weiteren dritten Wert (W₃) herangezogen werden, wobei die elektrische Maschine (30) im Zeitbereich des ersten und zweiten Werts (W₁, W₂) in einem ersten Betriebszustand (Z_B) und im Zeitbereich des dritten Werts (W₃) in einem weiteren Betriebszustand (Z_L,S) betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche , wobei die Werte (W₁, W₂, W₃) mit zumindest einer aufsteigenden Flanke (Fl_Uu, Fl_Vu, Fl_Wu) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und/oder zumindest einer abfallenden Flanke (Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) assoziiert sind, wobei die aufsteigenden Flanken (Fl_Uu, Flvu, Flw") des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und/oder die abfallenden Flanken (Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) zur Bestimmung des Winkelversatzes (ϑ) herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche , wobei drei zeitlich aufeinanderfolgende aufsteigende Flanken (Fl₁, Fl₂, Fl₃) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und/oder abfallende Flanken (Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W), vorzugsweise zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende aufsteigende Flanken (Fl_Uu, Fl_Vu, Fl_Wu) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und/oder abfallende Flanken (Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, l_U, I_V, I_W), zur Bestimmung des Winkelversatzes (ϑ) herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (30) im ersten Betriebszustand (Z_B) motorisch oder generatorisch betrieben wird und im zweiten Betriebszustand (Z_L,KS) der elektrischen Maschine sich diese im Leerlaufbetrieb (Z_L) oder im Kurzschlussbetrieb (Z_KS) befindet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Umschalten vom ersten Betriebszustand (Z_B) in den zweiten Betriebszustand (Z_L,KS), oder umgekehrt, zeitlich nach Erreichen des hierzu assoziierten Werts (W₁, W₂, W₃) oder der hierzu assoziierten aufsteigenden Flanke (Fl_Uu, Fl_Vu, Fl_Wu) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und/oder abfallenden Flanke (Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste, zweite und dritte Wert (W₁, W₂, W₃) in einem Zeitbereich (t_mes) liegt, innerhalb dem eine mittlere Drehzahl (n) der elektrischen Maschine (30) eine zeitliche Dynamik aufweist, die kleiner als ein Schwellwert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Drehzahltrend Δn der elektrischen Maschine 30 bei Ermittlung des Winkelversatzes (ϑ) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich eine Relation (ϑ_aprox), die eine Konstante (const) und eine inverse Proportionalität zur Drehzahl (n) der elektrischen Maschine (30) aufweist, zur Ermittlung des Winkelversatzes (ϑ) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (30) einen Regler (40) zur Regelung der Bordnetzspannung aufweist, wobei der Regler (40) zumindest zeitweise derart betrieben wird, dass der Regler (40) mittels Leerlaufbetrieb (Z_L) oder Kurzschlussbetrieb (Z_KS) die Spannung der Batterie regelt oder derart betrieben wird, dass der Cosinus des Winkelversatzes (ϑ) stets invers proportional zur Drehzahl (n) der elektrischen Maschine (30) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche , wobei die Drehzahl (n) aus einer Zeitdifferenz (Δt₁, Δt₂, Δt₃) zumindest zweier Auftrittszeitpunkte der Werte (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, W_U0, W_V0, W_W0) oder der hierzu assoziierten aufsteigenden Flanke (Fl_Uu, Fl_Vu, Fl_Wu) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und/oder abfallenden Flanke (Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasensignal (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) durch mehrere magnetische Erreger der elektrischen Maschine (30) erzeugt wird, wobei einer der magnetischen Erreger derart von den restlichen Erregern abweichend betrieben wird, dass das von diesem einen Erreger erzeugte Phasensignal (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) einen von den sonstigen Phasensignalen der sonstigen Erregen abweichenden Wert annimmt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ein oder mehreren Phasensignale (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) der elektrischen Maschine (30) mittels einer elektronischen Schaltung, insbesondere einem Motorsteuergerät (122) verarbeitet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehwinkelposition (α, α₁) der Welle (17) zur Steuerung der Brennkraftmaschine (112), insbesondere zur Steuerung der Zündung und/oder der Einspritzung, verwendet wird.
Recheneinheit, vorzugsweise ein Motorsteuergerät (122) für eine Brennkraftmaschine (12), die durch eine entsprechende integrierte Schaltung und/oder durch ein auf einem Speicher gespeichertes Computerprogramm dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 19.