DE102017222842A1

DE102017222842A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Polradwinkels einer elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017222842A1
Application number: DE102017222842.3A
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
Also published as: EP3724987A1; CN111434025B; CN111434025A; WO2019115238A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Polradwinkels (ϑ) einer elektrischen Maschine (30), welche einen Rotor (32) und einen Stator (33), mit zumindest einer Phasenwicklung (U, V, W) aufweist, wobei der elektrischen Maschine (30) ein schaltender Laderegler (LR) zugeordnet ist, der zur Regelung der elektrischen Maschine (30) und Beaufschlagung eines elektrischen Speichers (S) mit elektrischer Energie eingerichtet ist, wobei der Laderegler (LR) einen ersten Schaltzustand (S1) aufweist, in dem der elektrischen Speicher (S) mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, und einen weiteren Schaltzustand (S2) aufweist, in dem die Beaufschlagung des elektrischen Speichers (S) mit elektrischer Energie zumindest teilweise unterbunden wird, wobei der Polradwinkel (ϑ) im ersten Schaltzustand (S1) mittels einer ersten Bestimmungsvorschrift (K1) und im weiteren Schaltzustand (S2) mittels einer weiteren Bestimmungsvorschrift (K2) ermittelt 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 eines Polradwinkels einer elektrischen Maschine, welche einen Rotor und einen Stator, mit zumindest einer Phasenwicklung aufweist, wobei der elektrischen Maschine ein schaltender Laderegler zugeordnet ist, der zur Regelung der elektrischen Maschine und Beaufschlagung eines elektrischen Speichers mit elektrischer Energie eingerichtet 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 und elektrische Signale liefert, die zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und dem Aufladen der Fahrzeugbatterie dienen. Der vorgesehene Betrieb eines Fahrzeugs ohne diesen Generator, ist nicht oder nur für kurze Zeit möglich. Zur Regelung der Batteriespannung wird ein Regler verwendet. Da für viele Motor- bzw. Krafträder der Generator permanenterregt ausgeführt ist, kann dessen Erregung zur Regelung der Batteriespannung nicht, wie bei Pkws häufig üblich, verändert werden. Stattdessen regelt der Regler z.B. durch Kurzschließen der Phasen der elektrischen Maschine, die Batteriespannung auf einen Sollwert ein. Der zuvor beschriebene Generator wird typischerweise kumulativ zu den oben beschriebenen Sensoren zur Drehzahlerfassung bzw. zur Erfassung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle verwendet.
Die exakte Drehwinkellage des Rotors einer unbelasteten elektrischen Maschine ist direkt aus der Leerlaufspannung der elektrischen Maschine ablesbar, da die relative Phasenlage der Leerlaufspannung mit der Drehwinkellage des Rotors übereinstimmt. Bei einer belasteten Maschine ist die exakte Drehwinkellage des Rotors nur durch zusätzliche Berücksichtigung des Polradwinkels ermittelbar. Somit ist eine exakte Ermittlung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle aus Signalen der elektrischen Maschine nur dann möglich, wenn der Polradwinkel ebenfalls mit hinreichender Genauigkeit ermittelbar ist. Dies ist bei einer belasteten elektrischen Maschine nicht ohne weiteres möglich. Zudem kann eine entsprechende Spannungsregelung, insbesondere eine schaltende Spannungsregelung, bei der zumindest eine der Phasen kurzgeschlossen wird, eine Ermittlung des Polradwinkels zusätzlich erschweren.
Ferner ist auch die Nutzung der elektrischen Ausgangsgrößen einer über die Kurbelwelle angetriebenen elektrischen Maschine zur Drehzahlbestimmung aus der EP 0 664 887 B1 bekannt. 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 entsprechende Spannungsregelung, die die elektrischen Ausgangsgrößen der elektrischen Maschine zumindest während der Schaltphasen des Spannungsreglers beeinflusst, wie Sie beispielsweise bei Krafträdern im Rahmen einer Kurzschlussregelung üblich ist, wäre hierbei ungeeignet, da hierdurch die charakteristischen Signale für eine Bestimmung der Drehzahl bzw. der Drehwinkelposition der Welle nicht verlässlich für eine Ermittlung der Drehzahl oder der Drehwinkellage des Rotors heranziehbar sind. Zudem ist eine hochaufgelöste Drehzahlbestimmung bzw. eine hochaufgelöste Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle bzw. des Rotors der elektrischen Maschine hierbei nicht realisiert.
Es wäre daher wünschenswert eine Möglichkeit anzugeben, bei einer elektrischen Maschine mit schaltendem Spannungsregler über die Schaltzustände hinweg den Polradwinkel der elektrischen Maschine zu ermitteln.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Polradwinkels einer elektrischen Maschine, welche einen Rotor und einen Stator, mit zumindest einer Phasenwicklung aufweist, wobei der elektrischen Maschine ein schaltender Laderegler zugeordnet ist, der zur Regelung der elektrischen Maschine und Beaufschlagung eines elektrischen Speichers mit elektrischer Energie eingerichtet ist. Der Laderegler weist einen ersten Schaltzustand auf, in dem der elektrische Speicher mit elektrischer Energie beaufschlagt wird und der Laderegler weist ferner einen weiteren Schaltzustand auf, in dem die Beaufschlagung des elektrischen Speichers mit elektrischer Energie zumindest teilweise unterbunden wird, vorzugsweise vollständig unterbunden wird, wobei der Polradwinkel im ersten Schaltzustand mittels einer ersten Bestimmungsvorschrift und im weiteren Schaltzustand mittels einer weiteren Bestimmungsvorschrift ermittelt wird. Die Zuordnung des Ladereglers kann grundsätzlich im Rahmen der Erfindung in der Gestalt vorgenommen werden, dass der Laderegler unmittelbar der elektrischen Maschine zugeordnet ist, jedoch kann der Laderegler auch extern in einer gesonderten Einheit, insbesondere einem Motorsteuergerät zugeordnet oder in dieser integriert sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass durch einen Rückgriff auf unterschiedliche Bestimmungsvorschriften für die jeweiligen Schaltzustände des Ladezustands (Laden oder nicht Laden) eine Polradwinkelermittlung zumindest zeitlich abschnittsweise vorgenommen werden kann, da entsprechend die Bestimmungsvorschrift auf die jeweils vorliegenden Systemparameter, die zur Ermittlung des Polradwinkels herangezogen werden, angepasst werden kann. Die Bestimmungsvorschrift umfasst entweder eine modellbasierte Bestimmungsvorschrift zur Ermittlung des Polradwinkels, bei der entsprechend auf Systemparameter der elektrischen Maschine für unterschiedliche Betriebsbedingungen zurückgegriffen werden kann. Beispielsweise können hier der Innenwiderstand und die Spuleninduktivität der elektrischen Maschine, sowie deren Verhalten der idealen Leerlaufspannung oder der Ausgangsspannung als Systemparameter verwendet werden. Diese können vorzugsweise im Rahmen von Kennfeldern für die Ermittlung des Polradwinkels entweder im Laderegler oder in einem übergeordneten Steuergerät hinterlegt sein. Das zuvor beschriebene Verfahren hat somit den Vorteil, dass trotz eines schaltenden Eingriffs des Spannungsreglers bzw. Ladereglers, der die Beaufschlagung des Speichers mit elektrischer Energie durch entsprechende Schalt- oder Regeleingriffe an der elektrischen Maschine regelt, der Polradwinkel im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine im Wesentlichen kontinuierlich ermittelbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird im ersten Schaltzustand die elektrische Maschine derart betätigt, dass der elektrische Speicher mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, wobei im weiteren Schaltzustand die elektrische Maschine derart betätigt, dass der Stromfluss von der elektrischen Maschine in den elektrischen Speicher durch Kurzschließen zumindest einer der Phasenwicklungen oder durch Stromfreistellen zumindest einer der Phasenwicklungen ohne Last geregelt wird, vorzugsweise unterbunden wird. Insbesondere eine Regelung des elektrischen Speichers mittels Kurzschluss zumindest einer der Phasen bzw. Stromfreistellen der jeweiligen Phasen ist besonders vorteilhaft, da sich dies besonders einfach und kostengünstig implementieren lässt. Derartige Regelungen finden insbesondere Einsatz bei motorisierten Zweiräder, insbesondere bei kostengünstigen motorisierten Zweirädern, da hier die zuvor genannten Vorteile eine besonders große Rolle spielen. Insbesondere die Kurzschlussregelung ist hierbei besonders verbreitet, was den Nachteil hat, dass die Kurschlussregelung als solche die Phasensignale der elektrischen Maschine besonders stark beeinflusst, was eine Ermittlung des Polradwinkels aus den Phasensignalen besonders erschwert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird im Rahmen der ersten Bestimmungsvorschrift der Polradwinkel auf Basis eines nummerischen Models und/oder auf Basis eines Kennfelds und/oder im Rahmen der weiteren Bestimmungsvorschrift der Polradwinkel auf Basis eines weiteren nummerischen Models und/oder auf Basis eines weiteren Kennfelds ermittelt. Grundsätzlich kann die Bestimmungsvorschrift im Rahmen eines nummerischen Modells, das auf globale Maschinengrößen zurückgreift oder auf eine Kombination eines nummerischen Models, das auf ein Kennfeld zurückgreift, indem mehrere Maschinengrößen hinterlegt sind, umgesetzt werden. Das Kennfeld umfasst hierbei den Polradwinkel abhängig von entsprechenden Parameter wie z. B. der Drehzahl oder der Ausgangsspannung des Generators. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, entsprechende Maschinengrößen, wie z. B. die Ausgangsspannung des Generators in Abhängigkeit der Drehzahl bzw. der Flankenzeiten zwischen den Flanken zumindest eines Phasensignals zu erfassen und diese in dem Kennfeld zur Weiterbenutzung in dem nummerischen Model zu hinterlegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der ersten Bestimmungsvorschrift die Spannung des elektrischen Speichers bei der Ermittlung des Polradwinkels der elektrischen Maschine berücksichtigt. Insbesondere bei einer Verwendung von Kennfeldern, in denen entsprechende Maschinenparameter der elektrischen Maschine für die Ermittlung des Polradwinkels hinterlegt sind, kann die Batteriespannung bei der Ermittlung des Polradwinkels herangezogen werden. Grundsätzlich ist die Batteriespannung nur näherungsweise als konstant zu betrachten, weswegen sie tatsächlich bei der Ermittlung des Polradwinkels relevant sein kann. Je nach Betriebspunkt können Schwankungen oder Niveausenkungen auftreten. Da die Betriebsspannung in der Regel kontinuierlich in einem übergeordneten Steuergerät gemessen wird, können diese Veränderungen erkannt und entsprechend bei der Ermittlung des Polradwinkels berücksichtigt werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Polradwinkelkennlinie bzw. für mehrere Parameter ein entsprechendes Kennfeld für den Batterieladebetrieb im ersten Schaltzustand, insbesondere durch einen von der Batteriespannung abhängigen Offset-Parameter, korrigiert werden. Auch weitere Korrekturen der Kennlinie bzw. der jeweiligen Kennfelder wie z. B. eine Verkippung, Dehnung oder Stauchung oder andere Deformationen der Kennlinie bzw. es Kennfelds sind grundsätzlich möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden innerhalb einer Zeitdauer nach einer Beschaltung der elektrischen Maschine im Rahmen des ersten Schaltzustands und/oder nach einer Beschaltung der elektrischen Maschine im Rahmen des weiteren Schaltzustands, die durch die Beschaltung bewirkten dynamischen Einschwingvorgänge im zeitlichen Verlauf zumindest einer der der Ermittlung des Polradwinkels zugrunde liegenden Maschinengrößen der elektrischen Maschine, bei der Ermittlung des Polradwinkels der elektrischen Maschine berücksichtigt. Durch eine Beschaltung der elektrischen Maschine zur Regelung der Spannung werden insbesondere nach einem entsprechenden Schaltvorgang entsprechende transiente Zustände mit zeitlich großer dynamischer Variation erzeugt, die innerhalb einer für die Maschine charakteristischen Zeitdauer mittels Einschwingvorgänge in einen im Wesentlichen stationären Zustand zurückfinden. Sind nun entsprechende Maschinenparameter der elektrischen Maschine wie z. B. der Ausgangsspannung des Generators der Drehzahl usw. einer derartigen Dynamik unterworfen, pflanzt sich diese Dynamik in die Ermittlung des Polradwinkels fort, was potentiell zu entsprechenden Fehlerquellen führt. Diese können entsprechend berücksichtigt werden, um insbesondere den Polradwinkel auch während der charakteristischen Zeitdauer nach einem Umschalten von dem ersten in den zweiten Schaltzustand bzw. umgekehrt bei der Ermittlung des Polradwinkels zu berücksichtigen. Dies ist besonders vorteilhaft, da nun auch Nichtgleichgewichtszustände bei der Ermittlung des Polradwinkels berücksichtigt werden können, und somit die Ermittlung des Polradwinkels noch präziser und in jedem Betriebspunkt der elektrischen Maschine möglich ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die dynamischen Einschwingvorgänge im zeitlichen Verlauf des Polradwinkels derart charakterisiert, dass Amplituden des Polradwinkels und/oder Betriebsparameter der elektrischen Maschine innerhalb der Zeitdauer eines dynamischen Einschwingvorgangs bestimmt und als Maß für die Berücksichtigung der dynamischen Einschwingvorgänge bei der Ermittlung des Polradwinkels herangezogen werden. Insbesondere die Amplituden der zeitlichen Dynamik des Polradwinkels innerhalb der dynamischen Einschwingvorgänge können als Maß dafür herangezogen werden, ob während der Zeitdauer der dynamischen Einschwingvorgänge eine entsprechende Korrektur vorgenommen wird oder nicht. Dies kann insbesondere auf Basis einer Schwellwertregelung geschehen, bei der ein unterer Schwellwert für die Amplitude der Polradwinkelschwankung innerhalb des dynamischen Zeitbereichs zugrunde gelegt werden, wobei unterhalb des Schwellwerts keine Anpassung vorgenommen wird bzw. oberhalb des Schwellwerts eine entsprechende Korrektur des Polradwinkels im Zeitbereich der dynamischen Einschwingvorgänge erfolgt. Sind die Auswirkungen der dynamischen Einschwingvorgänge zu groß, d. h. sind insbesondere die Amplituden oberhalb eines gewissen Schwellwertes, können diese als Applikationsgrößen hinterlegt werden und entsprechend für die Berechnungen des Polradwinkels nach den Schaltvorgängen angewendet werden. Eine Bestimmung der Applikationsgrößen kann insbesondere mittels Referenzmessung oder geeigneter Simulationsmodelle erfolgen. Zudem können je nach Einfluss von Drehzahlgradienten auf die Applizierbarkeit von entsprechenden Korrekturen die Schaltvorgänge an geeigneten Stellen im Arbeitsspiel einer die elektrische Maschine antreibenden Brennkraftmaschine, z. B. bei möglichst flachem Drehzahlverlauf, platziert werden. Ein flacher Drehzahlverlauf ist entsprechend ein Drehzahlverlauf mit möglichst geringem Gradienten.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können die Schaltvorgänge, insbesondere die Schaltvorgänge, die ein Unterbinden des Stromflusses von der elektrischen Maschine in den elektrischen Speicher zur Folge haben, abhängig von zumindest einer Drehwinkellage des Rotors durchgeführt werden. Eine derartige Maßnahme hat den Vorteil, dass die Beschaltung der elektrischen Maschine zur Spannungsregelung des elektrischen Speichers und eine entsprechende Heranziehung von Maschinenparametern zur Ermittlung des Polradwinkels stets zeitlich versetzt durchgeführt werden, wodurch entsprechend unter Berücksichtigung zeitlicher Mindestabstände zu den Schaltvorgängen, um etwaige Einschwingvorgänge zu gewährleisten, eine ungestörte Ermittlung des Polradwinkels aus dem Maschinenparametern möglich ist. Ferner kann bevorzugt sein die Schaltzustände in Bereichen mit geringer Drehzahldynamik zu platzieren. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass Schaltvorgänge direkt nach Auftreten von Signalflanken und/oder Nulldurchgängen zumindest eines Phasensignals platziert werden können, damit die Dynamik im Verlauf der Messgrößen, die für die Ermittlung des Polradwinkels herangezogen werden, bestmöglich abklingt, bis im Verlauf die nächste Flanke im jeweiligen Phasensignal folgt.
Im Übrigen kann auch je nach Art und Umfang der Amplituden bzw. deren Amplitudenhöhe auch Art und Umfang einer etwaigen Korrektur im Zeitbereich der dynamischen Einschwingvorgänge bei einer Korrektur eines zu ermittelten Polradwinkels erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens weist das Kennfeld oder das weitere Kennfeld als Bezugsgrößen zumindest den Polradwinkel, die Ausgangsspannung der elektrischen Maschine und die Drehzahl oder die Zeit zwischen zwei Flanken zumindest eines Phasensignals auf. Grundsätzlich können alle Maschinenparameter, die für eine Ermittlung des Polradwinkels relevant sind, und die davon abhängigen Parameter in einem entsprechenden Kennfeld hinterlegt werden, um hieraus abhängig von den jeweiligen Betriebsparametern der elektrischen Maschine den Polradwinkel möglichst exakt ermitteln zu können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest ein in zumindest einem der Kennfelder hinterlegter Wert für den Polradwinkel in einer ersten Umdrehung des Rotors herangezogen und dieser Wert durch einen auf Basis von Messungen ermittelten Wert des Polradwinkels innerhalb der Zeitdauer der dynamischen Einschwingvorgänge korrigiert, wobei der korrigierte Polradwinkel in einer weiteren Umdrehung des Rotors, insbesondere im Zeitbereich weiterer dynamischer Einschwingvorgänge, genutzt wird. Alternativ oder kumulativ zur Verwendung von entsprechenden Korrekturtermen zur Korrektur des Polradwinkels insbesondere im Zeitbereich von dynamischen Einschwingvorgängen, kann auch ein Lernen derartiger Korrekturterme im Betrieb der elektrischen Maschine erfolgen. Hierzu wird aus Messgrößen der elektrischen Maschine und ihrem zeitlichen Verlauf vor dem Schaltvorgangzwischen dem ersten Schaltzustand und dem weiteren Schaltzustand bzw. umgekehrt, über diesen hinaus extrapoliert und dabei die entsprechende Kennlinie bzw. das Kennfeld des Polradwinkels verwendet. Die Abweichung des extrapolierten Wertes zu den gemessenen Werten nach dem Schaltvorgang kann in einem etwaigen Korrekturterm berücksichtigt werden und für eine weitere Verwendung einer weiteren Umdrehung des Rotors zur Ermittlung des Polradwinkels hinterlegt werden. Eine derartige Ausgestaltung ist vorteilhaft, da die entsprechenden Maschinenparameter die mitunter auch entsprechenden Schwankungen und Degradationseffekten im Laufe der Zeit unterliegen, bei einer Ermittlung des Polradwinkels im laufenden Betrieb als Lernfunktion herangezogen werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann kumulativ oder alternativ zum Heranziehendes zeitlichen Verlaufs der Messgrößen der elektrischen Maschine vor einem Schaltvorgang zur Extrapolation und der darauf basierenden Bestimmung der Korrekturfaktoren auch der ungestörte Verlauf der elektrischen Größen in einem gleichen oder bezüglich des Polradwinkelverlaufs vergleichbaren Betriebspunkt gelernt werden, in dem kein Schaltvorgang auftritt. Aus dem Vergleich des ungestörten - zumindest durch einen der Schaltvorgänge nicht gestörten - Verlaufs mit dem Verlauf der elektrischen Größen nach dem Schaltvorgang und der Verwendung der entsprechenden Kennlinien bzw. der Kennfelder des Polradwinkels können ebenfalls Korrekturfaktoren ermittelt werden. Eine derartige Ausgestaltung ist ebenfalls vorteilhaft, da die entsprechenden Betriebs- bzw. Maschinenparameter, die mitunter auch entsprechenden Schwankungen und Degradationseffekten im Laufe der Zeit unterliegen, bei einer Ermittlung des Polradwinkels im laufenden Betrieb als Lernfunktion herangezogen werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Polradwinkel zur Ermittlung der Drehwinkellage des Rotors herangezogen. Um eine entsprechende Drehwinkellage des Rotors sicher aus den Signalen einer elektrischen Maschine abzuleiten, ist es erforderlich, eine entsprechend exakte Ermittlung des Polradwinkels zu den jeweiligen Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Genau dies ist im Rahmen des zuvor beschriebenen Verfahrens möglich, womit eine entsprechend hoch genaue Ermittlung des Polradwinkels unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand der elektrischen Maschine möglich ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das zumindest eine Phasensignal der elektrischen Maschine mittels einer elektronischen Schaltung, insbesondere einem Motorsteuergerät verarbeitet. Durch eine entsprechende externe Verarbeitung der Phasensignale bzw. der damit verbundenen Werte und assoziierten aufsteigenden Flanken und absteigenden Flanken sowie einer Regelung, insbesondere einer Laderegelung des elektrischen Speichers in einem Motorsteuergerät kann auf zusätzliche Steuerkomponenten verzichtet werden, da das Motorsteuergerät ohnehin vorhanden ist und auch für diesen Einsatzzweck grundsätzlich nutzbar ist. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch eine entsprechende Regelarchitektur vereinfacht werden kann, wodurch zusätzlich Kosten eingespart werden können.
Grundsätzlich versteht sich, dass durch das zuvor beschriebene Verfahren direkt aus den internen Signalen der elektrischen Maschine eine hochaufgelöste Drehwinkelposition bzw. Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine und hiermit auch der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ermittelbar ist, wodurch auch auf ein entsprechendes Geberrad zur Ermittlung der Drehwinkelposition bzw. der Drehzahl und der hiermit verbundenen Sensorik verzichtet werden kann. Eine Ermittlung der Drehwinkelposition bzw. der Drehzahl des Rotors ist im laufenden Betrieb stets möglich, da eine entsprechende Laderegelung des elektrischen Speichers entsprechend berücksichtig ist. Es ist jedoch auch möglich die schaltenden Eingriffe der Laderegelung zeitlich von der Ermittlung der Flanken des Phasensignals, welche für eine Ermittlung der Drehwinkelposition bzw. der Drehzahl erforderlich sind, zu entkoppeln.
Somit lässt sich im laufenden Betrieb sowohl die Ermittlung einer hochgenauen Drehzahl und einer Drehwinkelposition des Rotors und damit der Kurbelwelle als auch eine entsprechende Spannungsregelung des elektrischen Speichers ausschließlich unter Heranziehung der Phasensignale der elektrischen Maschine gewährleisten. Hierdurch können Kosten eingespart werden, was insbesondere in Bezug auf kostengünstigere Mopeds bzw. Leichtkrafträder von Vorteil ist. Zudem können Steuerfunktionen, wie z.B. die Positionsberechnung der Einspritzung, Drehmomentenberechnung bzw. Lernfunktionen zum genauen Bestimmen der OT-Lage und dergleichen deutlich verbessert werden.
Ferner versteht sich, dass die Phasensignale grundsätzlich auf verschiedene Weise gewonnen werden können. Möglich ist beispielsweise eine Betrachtung der Phasenspannung gegeneinander, eine Betrachtung der Phasenspannung über die Dioden eines angeschlossenen Gleichrichters gegen dessen Potential der Ausgangsklemmen, sofern der Stator der elektrischen Maschine in Sternschaltung mit abgreifbarem Sternpunkt ist, eine Betrachtung der Ausgangsspannung der Stränge gegen den Sternpunkt oder eine vergleichbare Auswertung der Phasenströme.
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 einem etwaigen Winkelversatz, gegeben durch den Polradwinkel, kann entsprechend zur Steuerung des Zündzeitpunkts bzw. des Moments der Brennkraftmaschine im Steuergerät der Brennkraftmaschine herangezogen werden. Somit kann eine Laderegelung der Batterie, eine Steuerung der Brennkraftmaschine und eine verbesserte Ermittlung der Drehwinkellage bzw. der Drehzahl der Kurbelwelle im Motorsteuergerät zusammengefasst werden, wodurch sich weiter Synergieeffekte ergeben. Hierfür weist die verwendete Recheneinheit, die vorzugsweise als Motorsteuergerät für die Brennkraftmaschine ausgebildet ist, eine entsprechende integrierte Schaltung und/oder ein auf einem Speicher gespeichertes Computerprogramm auf, die bzw. das zur Durchführung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte eingerichtet ist.
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 den 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 und 4b zeigen mögliche Spannungsverläufe der Phasen einer dreiphasigen elektrischen Maschine;
5a und 5b zeigen ein einphasiges vereinfachtes Ersatzschaltbild einer elektrischen Maschine (a), sowie das dazugehörige Zeigerdiagramm der Phasenspannungsvektoren (b);
6a - 6f zeigt sechs verschiedene Ausführungsformen von Reglerschaltungen, die einem Gleichrichter einer elektrischen Maschine nachgelagert sind und zur Regelung der Batteriespannung eingerichtet sind;
7a und 7b zeigt den Verlauf eines Phasensignals mit einem Regeleingriff gemäß einem ersten und einem alternativen zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens;
8a und 8b zeigt den Verlauf eines Phasensignals mit einem Regeleingriff gemäß einem weiteren und einem alternativen weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens;
9 zeigt den Verlauf eines Phasensignals mit einem zeitlich getakteten Regeleingriff gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens;
10a bis 10d zeigt den zeitlichen Verlauf eines Polradwinkels über die Drehzahl für eine erste Ausgangsspannung der elektrischen Maschine (a), den zeitlichen Verlauf eines Polradwinkels über die Drehzahl für eine weitere Ausgangsspannung der elektrischen Maschine (b), den zeitlichen Verlauf eines Polradwinkels über die Flankenzeiten zwischen zwei Flanken eines Phasensignals für eine erste Ausgangsspannung der elektrischen Maschine (c) und den zeitlichen Verlauf eines Polradwinkels über die Flankenzeiten zwischen zwei Flanken eines Phasensignals für eine weitere Ausgangsspannung der elektrischen Maschine (d)
11 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Polradwinkels in zwei Schaltzuständen des Reglers sowie den sich dazwischen angeordneten Bereich eines dynamischen Einschwingvorgangs; und
12 zeigt den zeitlichen Verlauf von Spannungsflanken eines Phasensignals anhand dem ein Lernverfahren erläutert wird.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 sind schematisch ein Geberrad 20 und ein zugehöriger induktiver Sensor 10 dargestellt, wie sie im Stand der Technik 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 laufen abwechselnd Zähne 22 und zwischen jeweils zwei Zähnen liegende Leerräume an der Induktionsspule 13 des Sensors 10 vorbei. Da das Geberrad 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 die entsprechende Winkelposition der Kurbelwelle näherungsweise berechnet werden.
An der Lücke 23 weist das induzierte Signal in der Induktionsspule einen anderen Verlauf auf, als bei den ansonsten sich mit Leerräumen abwechselnden Zähnen 22. Auf diese Art ist eine absolute Positionsmarke, jedoch nur in Bezug auf eine volle Kurbelwellenumdrehung, möglich.
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 einen elektrischen Speicher S, vorliegend eine Batterie B, innerhalb des Bordnetzes 110 entsprechend der noch verbleibenden Kapazität der Batterie B, mit Energie versorgt. Je nach Ladezustand der Batterie B bzw. des elektrischen Speichers S weisen diese eine sich verändernde Spannung U_Bat auf. 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 - permanenterregte elektrische Maschine oder fremderregte elektrische 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 2b 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 alternativ 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 zwar abweichende Signalverläufe, ändern jedoch nicht die auswertbaren Informationen, deren Gewinnung und/oder 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 , U_W gekennzeichnet 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 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 Steuergeräts, 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 der Erkennung einer Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 bzw. einem durch die Polpaare des Stators 33 festgelegten Winkelinkrements dienen. Auch eine Erkennung der Drehwinkellage α₁ 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 des Generators zu ermitteln.
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 Drehwinkellage α₁ 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.
Es versteht sich grundsätzlich, dass alternativ zu den fallenden Flanken FL_D auch die steigenden Flanken zur Ermittlung der Drehwinkellage α₁ 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 Drehwinkellage α₁ 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 FLu und fallenden Flanken FL_D jeweils der gleichen Phasen oder von den jeweiligen Phasen zueinander oder durch den zeitlichen Abstand von steigenden Flanken FLu 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 eine verbesserte Auflösung der Ermittlung der Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 bzw. einer Drehzahlerkennung n_Gen , auch die Nulldurchgänge 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 lediglich mit unzureichender Genauigkeit bestimmen, da im Falle einer belasteten elektrischen Maschine 30 infolge des Stromflusses, 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 in den nachfolgenden Abbildungen näher erläutert.
In 5a ist eine schematische Darstellung eines einphasigen vereinfachten Ersatzschaltbilds einer elektrischen Maschine gezeigt, und in 5b 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 5 a) und dem zugehörigen, in 5 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 Stromflusses 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 Stromflusses 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 5 b) ergibt sich somit für den Winkelversatz ϑ: $(cos (ϑ) = (U + sin (φ) * X * I) {/U}_{P} .$
Bei Verwendung eines linear arbeitenden Spannungsreglers 40a, wie z.B. in 6a dargestellt, und einer Ansteuerung eines Stellgliedes 42a für einen Spannungsreglers 40a, das beispielsweise in Form eines Leistungstransistors ausgebildet ist und im linearen Bereich (Triodenbereich) arbeitet, lässt sich die Ausgangsspannung U der elektrischen Maschine 30 nahezu konstant (in Bezug auf die Batteriespannung) einregeln. Weiterhin führt die Verwendung eines Gleichrichters 34a, 35a mit einem nachgeschalteten elektrischen Speicher S in Form einer 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 derart, dass das jeweilige Stellglied 42 im linearen Bereich betrieben wird, kann der Winkelversatz ϑ in erster Näherung auch ohne Kenntnis des Stromflusses 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 a₁ durch: $α_{1} \approx α_{Phase} + ϑ$
in besonders guter Näherung ermittelt werden.
Die zuvor getroffenen Annahmen zur hochgenauen Ermittlung des Polradwinkels ϑ bzw. der Drehwinkelposition α₁ bzw. der Drehzahl n des Rotor 32 ist jedoch nur dann ohne weiteres anwendbar, wenn im Zeitbereich der Ermittlung der jeweiligen Phasensignale U_U , U_V , U_W , I_U , I_V , I_W kein schaltender Eingriff zur Regelung der Spannung des elektrischen Speichers S durch den Laderegler 40 erfolgt. Somit ist diese Annahme allenfalls abschnittsweise für die jeweiligen Schaltzustände des Ladereglers 40 anwendbar. Ferner müssen zudem für die jeweiligen Schaltzustände gesonderte Sätze an Maschinenparametern für die Ermittlung des Polradwinkels hinterlegt sein oder während des laufenden Betriebs der elektrischen Maschine ermittelt werden (vgl. 10a -d, und 12). Ferner wären auch noch transiente Übergangszustände in Form von dynamischen Einschwingvorgängen zwischen den Schaltzuständen bei einer Ermittlung des Polradwinkels ϑ zu berücksichtigen (vgl. 11). Hierauf wird im nachfolgenden weiter eingegangen. Eine durchgehende Ermittlung des Polradwinkels ϑ kann daher sicher durch die weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens gewährleistet werden, wie es im Rahmen der 7-12 genauer beschrieben wird.
In 6a ist die elektrische Maschine 30 aus 2b 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 der erfindungsgemäße Laderegler LR nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine - permanenterregte elektrische Maschine oder fremderregte elektrische 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 Verwendung eines dem Generator nachgelagerten erfindungsgemäßen Ladereglers geeignet. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich alle elektrischen Maschinen unabhängig von der Anzahl ihrer Phasen verwendet werden.
Die drei Phasen des Drehstromgenerators 30 sind mit U, V, W bezeichnet. Über das als Plusdioden D_H eines ersten Pfades 34a und Minusdioden D_L eines zweiten Pfads 35a ausgebildete Gleichrichtelement 36, werden die an den Phasen abfallenden Spannungen U_U , U_V , U_W 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.
Zudem ist ein Laderegler LR mit einer Steuereinheit 40a vorgesehen, der von der Generatorspannung U_G gespeist ist und einen Schalter 42a für den Fall einer Spannungsregelung der Batterie B derart ansteuert, dass die Pfade 34a, 35a des Gleichrichters 36 kurzgeschlossen werden. Um ein paralleles Kurzschließen der Batterie B zu verhindern, ist eine weitere Diode D vorgesehen, die der Art hinter dem Gleichrichter 36 angeordnet ist, dass ebendies verhindert wird. Im offenen Zustand des Schalters 42a wird der Gleichrichter 36 normal betrieben und beaufschlagt somit die Batterie B bzw. den elektrischen Speicher S mit elektrischer Energie.
In 6b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ladereglers LR dargestellt. Gleiche bzw. gleichartige Elemente zum ersten Ausführungsbeispiel (vgl. 6a) werden mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bezugszeichen ergänzt mit einem weiteren Buchstaben B dargestellt. Auf die grundsätzliche Beschreibung bereits bekannter Elemente wird in Bezug zu dieser Ausführungsform und in Bezug zu den weiteren, noch folgenden Ausführungsformen, grundsätzlich auf die jeweiligen Beschreibungen der Ausführungsformen Bezug genommen und es werden hinsichtlich der jeweiligen Beschreibung lediglich die Veränderungen gegenüber den weiteren Ausführungsbeispielen dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird vereinfacht von einer schematisch dargestellten, zweiphasigen elektrischen Maschine 30 mit den Phasen U und V ausgegangen, wobei an den Phasen jeweils Phasenspannungen U_U bzw. U_V anliegen. Genau genommen zeigt 4a eine einphasige Maschine mit beiden herausgeführten Spulenenden. Diese besteht aus zwei Spulen, deren eine Enden herausgeführt sind und deren andere Enden verbunden werden und damit vom Aufbau her eine einphasige Maschine darstellen. Die Besonderheit an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die Steuereinheit 40b die den Schalter 42b zur Ladereglung und zum Kurzschluss des ersten Zweigs 34b bzw. zweiten Zweigs 35b des Gleichrichterst 36 beaufschlagt, in einem Motorsteuergerät 122 angeordnet ist. In diesem Motorsteuergerät 122 ist ferner eine Drehzahldetektionsvorrichtung 45 angeordnet. Diese weist eine Kommunikationsverbindung 46 zu einem Signalgenerator 47 auf, der mit zumindest einer der Phasen (V) verbunden ist, um die für eine Ermittlung der Drehzahl n der elektrischen Maschine 30 erforderlichen Flanken FL_U bzw. FL_V der Phasenspannung U_U , U_V zu ermitteln. Die grundsätzliche Ermittlung der Drehzahl n wurde Eingangs (insbesondere in Bezug zu 4b) bereits beschrieben.
In 6c ist eine weitere Ausführungsform des Ladereglers LR dargestellt. Auch hier wird der Schalter 42c wieder von der Steuereinheit 40c angesteuert, wobei bei einer Schließstellung des Schalters 42c der Schalter leitend ist und die Zweige 35c, beziehungsweise 34c (hierfür notwendige Vorrichtung nicht abgebildet) des Gleichrichters 36 entsprechend kurzschließt. Dies geschieht in diesem Fall Phasenweise, entsprechend der Phase U, V, W, da hier bei jeder Phase eine Diode D1 bis D3 zugeordnet ist. Je nach Phasenlage wird die jeweilige Phase kurzgeschlossen und es wird ein Überladen der Batterie B verhindert. Dioden D_H des ersten Zweigs 34c des Gleichrichters 36 verhindern hierbei, dass bei einem Kurzschluss der jeweiligen Phase U, V, W auch die Batterie B kurzgeschlossen wird.
Ebenfalls können im oberen Pfad 34c Transistoren und dafür im unteren Pfad 35c Dioden verwendet werden. In diesem Fall erfolgt die Regelung des Stromflusses I durch Kurzschließen über den oberen Pfad 34c, während der untere Pfad 35c ein Kurzschließen der Batterie B vermeidet (entsprechende Vorrichtung nicht abgebildet).
In 6d ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ladereglers LR beschrieben. Hierbei weist der zweite Pfad 35d des Gleichrichters 36 pro Phase, U, V, W jeweils einen Schalter 42d in Form eines Transistors auf, der in Form eines MOSFET-Transistors dargestellt ist, als Transistor mit entsprechender Inversdiode. Der Transistor hat jeweils sowohl eine gleichrichtende Funktion im unteren Pfad 35d des Gleichrichters als auch eine kurzschließende Funktion der jeweiligen Phase, der der jeweilige Transistor zugeordnet ist. Hierdurch kann durch ein entsprechendes Ansteuern des jeweiligen Transistors 42d durch die Steuereinheit 40d der Gleichrichter 36 kurgeschlossen und somit der Stromfluss I in die Batterie B unterbunden werden. Ein Kurzschließen der Batterie B wird hierbei wieder durch die Dioden D_H im ersten Pfad 34d verhindert.
In 6e ist eine weitere Ausführungsform des Ladereglers LR beschrieben. Hierbei ist sowohl der erste Pfad 34e mit Transistoren T_H als auch der zweite Pfad 35e mit Transistoren TL bestückt, die den jeweiligen Phasen U, V, W zugeordnet sind. Die jeweiligen Transistoren T_H , T_L sind von der Steuereinheit 40e jeweils entsprechend beaufschlagbar, so dass sowohl eine Gleichrichtung der Phasenspannungen U_U , U_V , U_W als auch ein Kurzschließen der jeweiligen Pfade 34e, 35e zur Laderegelung der der Batterie B erfolgen kann.
Vorliegend ist die Steuereinheit 40e getrennt zum Motorsteuergerät 122 angeordnet, wobei beide miteinander mittels einer Datenverbindung 125e, zum Austausch von Daten bzw. zur Ansteuerung der Steuereinheit 40e durch das Motorsteuergerät 122 oder umgekehrt, verbunden sind. Für den Fall einer Laderegelung, wird jeweils in einem Pfad 35e, 34e die jeweiligen Transistoren T_H , T_L durchgesteuert, so dass diese leitend werden. Zum Schutz der Batterie B sollten jeweils die korrespondierenden Transistoren T_H , T_L des jeweils anderen Pfades in Sperrrichtung geschaltet sein, so dass ein Kurzschluss der Batterie B verhindert wird.
In 6f ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ladereglers LR dargestellt. Hierbei unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel gegenüber dem in 4d gezeigtes Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass das Motorsteuergerät 122 als auch die Steuereinheit 40f baulich in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, was synergetische Vorteile bietet, um entsprechend eine Brennkraftmaschine 112 bzw. die elektrische Maschine 30 anzusteuern.
Grundsätzlich versteht sich, dass die Recheneinheit 40 bzw. das Motorsteuergerät 122 entweder baulich getrennt oder gemeinsam in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein können.
In 7a und 7 ist die Regelung einer Betriebsspannung Us eines elektrischen Speichers S gemäß einem ersten (7a) und gemäße einem alternativen zweiten (7b) Ausführungsbeispiel gezeigt. Hierin ist in der linken Ordinate eine der Phasenspannungen U_U,V,W in der rechten Ordinate die Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S und auf der Abszisse die Zeit in beliebigen Einheiten aufgetragen. Ferner ist gestrichelt ein oberer Schwellwert U_Soll1 der Betriebsspannung Us des elektrischen Speichers und ein unterer Schwellwert U_Soll2 dargestellt, bei deren Erreichen bzw. Unter- und/oder Überschreiten eine entsprechende Spannungsregelung durch den Spannungsregler LR bzw. 40 (vgl. 6a bis f) eingeleitet wird.
Die Phasenspannung U_U,V,W ist als durchgezogene Linie und die Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S ist als Strichpunktstrichlinie im Diagramm dargestellt. Diese Beschreibung der Diagramme aus 7 ist den Diagrammen aus 8a, b und 9 ähnlich, weswegen hierbei generell auch auf diese Abbildungen Bezug genommen wird. Es versteht sich grundsätzlich, dass die Auswahl der hier dargestellten Phasenspannung U_U lediglich exemplarisch als Spannung einer einphasigen elektrischen Maschine oder Spannung einer beispielhaften Phase einer mehrphasigen Maschine erfolgt ist, wobei die Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch an weiteren Phasen einer mehrphasigen elektrischen Maschine, wie auch einer Kombination der Auswertung der jeweiligen Phasen miteinander erfolgen kann.
In 7a ist zu sehen, dass nach dem ersten Auftreten einer Halbwelle einer Phasenspannung mit einer aufsteigenden Flanke Fl_U und einer abfallenden Flanke Fl_D die Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S den oberen Schwellwert U_Soll1 überschreitet. Ferner ist nach der ersten Halbwelle der Ansatz einer weiteren Flanke Fl_U zu erkennen, die durch den charakteristischen Wert W_Uu der Phasenspannung U_U erkannt wird. Da anhand des charakteristischen Werts W_Uu die aufsteigende Flanke Fl_U der Phasenspannung sicher erkannt wird, kann nach Erreichen des Werts W_Uu ein Regeleingriff mittels des Ladereglers 40 des elektrischen Speichers S erfolgen, wodurch insbesondere die Phasenspannung U_U begrenzt und hierdurch ein Aufladen des elektrischen Speichers S zumindest aus dieser Phase U_U unterbunden wird. Bis zum Erreichen des nächsten charakteristischen Werts W_UD , der mit einer abfallenden Flanke Fl_D assoziiert ist, wird der Regeleingriff des Reglers 40 wieder gelöst, da die Betriebsspannung S_U des elektrischen Speichers S wieder unterhalb des oberen Schwellwerts U_Soll1 verläuft. Der weitere Schwellwert U_Soll2 gibt den unteren Toleranzbereich der Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S an, bei dem erneut ein Reglereingriff erfolgt und der elektrische Speicher S wieder geladen wird.
Wie in 7a zu sehen ist, ist für die Regulierung der Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S der Zeitraum zwischen Auftreten W_Uu für die steigende Flanke und W_UD für die abfallende Flanke der zweiten Halbwelle der Phasenspannung U_U ausreichend. In 7b ist hingegen ein Szenario abgebildet, dass dem in 7a gezeigten Szenario ähnlich ist, wobei jedoch der Reglereingriff über die zweite und dritte Halbwelle der Phasenspannung U_U gehalten wird, um die Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers entsprechend derart anzupassen, dass dieser wieder unter den Sollwert U_Soll1 absinkt. Im Übrigen ist in den 7 bis 9 die zu erwartende Halbwelle der Phasenspannung U_U die durch den entsprechenden Regeleingriff des Ladereglers 40 unterdrückt wird, gestrichelt dargestellt.
Ein weiteres Szenario einer Spannungsregelung der Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S ist in 8a und B dargestellt. In 8a und B ist ein dynamisches Verhalten des Spannungsreglers 40 bzw. dessen Ansteuerung gezeigt, bei dem der Regeleingriff zur Regelung der Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S mit der Detektion einer Flanke mittels des Werts W_Uu beginnt, also getriggert durch eine entsprechende Flanke, wobei der Regeleingriff durch den Regler 40 wieder gelöst wird, sobald die Batteriespannung innerhalb des gewünschten Bereichs zwischen U_Soll1 und U_Soll2 (vgl. 8a) oder, wie in 8b gezeigt, die Laderegelung durch den Laderegler 40 dann wieder aktiviert wird, wenn die Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S bereits wieder unter den Sollwert U_Soll2 abgesunken ist. Auch hier erfolgt die Laderegelung mittels des Ladereglers 40 flankengetriggert durch die Erkennung des mit der jeweiligen Flanke assoziierten Werts W_Uu wobei hierbei stets eine sichere Ermittlung der Drehwinkelposition des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30 bzw. deren Drehzahl N gewährleistet ist. In 8a wird ferner ein zeitlicher Mindestabstand T_min zur nächsten Flanke Fl_D berücksichtigt. Hierbei ist gewährleistet, dass bei Erkennen des mit der nächsten abfallenden Fl_D assoziierten Werts W_UD der Phasenspannung U_U , diese bereits einen stationären Wert eingenommen hat. Durch eine entsprechende Wahl des zeitlichen Abstands T_min kann somit sichergestellt werden, dass die Spannungsflanke nicht in einem transienten sondern in einem tatsächlich eingeschwungenen stationären Zustand bestimmt wird, wodurch eine exakte Ermittlung der Drehwinkelposition des Rotors 32 bzw. dessen Drehzahl n gewährleistet ist. Um sicher zu stellen, dass ein eingeschwungener Zustand vorliegt, wird bei Unterschreiten des zeitlichen Mindestabstands T_min wie in 8b gezeigt, der Regeleingriff des Reglers 40 erst wieder nach Detektion der darauffolgenden nächsten Flanke bzw. Unterschreiten des entsprechenden Betriebsspannungssollwerts U_Soll2 gelöst.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Ansteuerverfahrens des Ladereglers 40, wie er in 9 dargestellt ist, wird der Stromfluss I in den elektrischen Speicher S durch eine zeitlich getaktete Ansteuerung des Ladereglers 40 unterbunden bzw. aktiviert. Dieser getaktete Betrieb erfolgt vorzugsweise innerhalb einer Halbwelle, so dass sowohl die aufsteigende Flanke Fl_U , als auch die abfallende Flanke Fl_D durch ihre charakteristischen Werte W_Uu und W_UD zur exakten Ermittlung der Winkelposition des Rotors 32 bzw. dessen Drehzahl n ermittelbar sind. Da die PWM-Zeitperiode zudem viel kleiner ist, als die Zeitkonstante der elektrischen Maschine, ist der Zeitpunkt des Schaltens in Relation zur Ermittlung der jeweiligen Werte nicht mehr von großer Bedeutung, weshalb eine Beachtung des Phasensignals für die Schaltvorgänge nicht mehr zwingend erfolgen muss. Die hier vorliegende Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S ist wie abgebildet nahezu konstant. Grundsätzlich kann je nach Wahl der aktiven Zeiten t_On des Reglers, in dem eine Strombeaufschlagung des elektrischen Speichers S erfolgt, bzw. der deaktivierten Zeiten toff, in denen keine Strombeaufschlagung des elektrische Speichers S erfolgt, die Strombeaufschlagung der Batterie eingestellt werden. Die relevante Stellgröße ist hierbei der sogenannte Duty-Cycle, der als Verhältnis zwischen den An- bzw. Auszeiten der Regelung durch den Laderegler 40 wie folgt gegeben ist: $D u t y - C y c l e = \frac{T_{o n}}{T_{o n} + T_{o f f}}$
Eine typische Frequenz einer entsprechend getakteten Beaufschlagung des Reglers 40, die mittels einer typischen Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgen kann, liegt im Bereich zwischen 10 und 100 kHz, vorzugsweise 20 kHz. Grundsätzlich ist die Frequenz jedoch ausreichend groß zu wählen, so dass auch für hohe Drehzahlen n noch ausreichend viele Schaltvorgänge zwischen zwei Spannungsflanken untergebracht werden können. Die Frequenz wird jedoch vorzugsweise so gewählt, dass sie nicht Wesentlich zu einer für einen Anwender störend wahrnehmbaren Geräuschbeeinträchtigung beiträgt.
Unter der Annahme, dass die Trägheit der elektrischen Größen der elektrischen Maschine 30 größer als die Frequenz der Pulsweitenmodulation ist, stellt sich ein vergleichbares Verhalten des Systems insbesondere in Bezug auf Ermittlung des Polradwinkels θ ein, wie sie im Zusammenhang des linearen Reglers (abgebildet in 6a), dargestellt ist. Die Abschätzung des Polradwinkels bzw. hiermit auch die Abschätzung der Winkelposition α des Rotors 32 kann somit mittels einer einzigen Kennlinie bzw. eines Kennfeldes, bei dem der Polradwinkel über den Eingangsgrößen Duty-Cycle und Drehzahl dargestellt ist, wie bei einem linearen Regler erfolgen. Wie bereits erwähnt, kann somit der Vorteil einer optimalen Spannungsregelung der Betriebsspannung U_s des elektrischen Speichers S durch eine entsprechende Wahl der Ansteuerfrequenz der Pulsweitenmodulation sowie der Pulsweite, die durch den Duty-Cycle gegeben sind, einerseits, als auch eine sichere Detektion der Flanken durch die charakteristischen Werte W_Uu und W_UD , andererseits, gewährleistet werden, die für eine Ermittlung der Sekundärgrößen der Polradspannung bzw. der Drehwinkellage des Rotors 32 und dessen Drehzahl erforderlich sind.
Grundsätzlich versteht sich, dass die Sollwerte U_Soll1 bzw. U_Soll2 der Betriebsspannung U_S des elektrischen Speichers S von verschiedenen Arbeitspunkten bzw. der Motordrehzahl der elektrischen Maschine abhängig gemacht werden können. Weiterhin können die Sollwerte U_{Soll1, Soll2} der Betriebsspannung U_S auch von Arbeitspunkten der Brennkraftmaschine wie entsprechenden Lasten oder des Gemisches an Kraftstoff zu Verbrennungsluft (Lambda) abhängig gemacht werden.
Darüber hinaus kann durch eine hochgenaue Ermittlung der Drehwinkellage θ des Rotors 32 auch eine entsprechende Regelung, die vorzugsweise durch Kurzschluss bzw. durch Lastfreistellen des Generators erfolgt (vgl. 6a bis f) bewirkt werden, um beispielsweise in Bereichen, in denen eine hochaufgelöste Drehzahl n bzw. eine Bestimmung der Drehwinkellage θ des Rotors 32 erforderlich ist, kein Regeleingriff vorgenommen wird. Auch in Bereichen, in denen eine Zündung der Brennkraftmaschine bzw. ein Einspritzvorgang in die Brennkraftmaschine erfolgt, die wiederum empfindlich von einer Betriebsspannung Us des elektrischen Speichers abhängen, kann ein Ausregeln des elektrischen Speichers S von der elektrischen Maschine 30 unterbunden werden, um hierdurch eine entsprechende Einspritzung bzw. eine Zündung durch eine Veränderung der Betriebsspannung U_S nicht zu stören. Weiter kann, um eine möglichst gute Bestimmung der hochaufgelösten Drehzahl n der elektrischen Maschine 30 bzw. deren Drehwinkellage θ zu gewährleisten, der Reglereingriff über einen konstanten Winkelbereich bezüglich der Nulllage des Rotors erfolgen, wodurch stets eine hochgenaue Ermittlung der Drehwinkelposition θ bzw. der Drehzahl N möglich ist.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Verfahrens lässt sich der Polradwinkel ϑ auch bei entsprechenden schaltenden Eingriffen des Spannungsreglers LR ermitteln (10 -13). Hierbei wird allgemein auf die Formel $ϑ = {cos}^{- 1} (U_{G} / (const . * n),$
zur Ermittlung des Polradwinkels ϑ zurückgreifen.
In den 10a und B sind entsprechende Kennlinien für den Polradwinkel ϑ über die Drehzahl der elektrischen Maschine für eine erste Ausgangsspannung U_G von 14 Volt (vgl. 10a) und für eine weitere Ausgangsspannung des Generators U_G 2 Volt (vgl. 10b) gezeigt. Entsprechende Kennlinien können auch für weitere Ausgangsspannungen U_G des Generators aber auch für weitere Maschinenparameter der elektrischen Maschine 30 in einem entsprechenden Kennfeld O_Kenn1 , O_Kenn2 hinterlegt werden. Je nach Schaltzustand S1, S2 des schaltenden Ladereglers LR kann entsprechend ein gewähltes Kennfeld O_Kenn1 , O_Kenn2 mit den damit hinterlegten Kennlinien ausgewählt und hieraus der Polradwinkel ϑ der elektrischen Maschine 30 ermittelt werden.
Unter der Annahme, dass die Ausgangsspannung des Generators in etwa konstant ist, z.B. auf Batteriespannung von ca. 14 Volt gehalten wird, ergibt sich damit in guter Näherung eine reine Abhängigkeit des Polradwinkels ϑ von der Drehzahl n der elektrischen Maschine 30 woraus sich nach oben angegebener Formel für den Polradwinkel ϑ die entsprechende Kennlinie ergibt, die in 10a dargestellt ist. Das in 10a gezeigte Szenario bildet somit im Wesentlichen den ersten Schaltzustand S1 ab, bei dem der elektrische Speicher S, in diesem Fall die Batterie B, mit elektrischer Energie beaufschlagt wird.
Insbesondere für einen kurzschlussschaltenden Spannungsregler LR wie er insbesondere in den 6a bis f dargestellt ist, schaltet der Spannungsregler LR den Ausgang des Generators 30 in einen Kurzschlussähnlichen Zustand, falls die an die elektrische Maschine 30 angeschlossene Batterie B einen entsprechenden Schwellwert in der Kapazität bzw. der Batteriespannung erreicht. Hierdurch wird ein Überladen der Batterie vermieden. Grundsätzlich hängt im Kurzschlussfall die Ausgangsspannung U_G des Generators 30 von der verwendeten Topologie des Spannungsreglers ab. Diese Ausgangsspannung U_G beträgt im Kurschlussfall in etwa 0,1 bis 3 Volt, je nach Topologie, und kann näherungsweise auch als konstant - für die jeweils verwendete Topologie - angenommen werden. Hieraus ergibt sich in etwa die in 10b dargestellter Verlaufsform der Kennlinie der Polradwinkels ϑ über die Drehzahl n der elektrischen Maschine 30 für eine Ausgangsspannung U_G des Generators von ca. 2 Volt. Wie bereits eingangs erwähnt, können auch entsprechende Kennlinien für andere Ausgangsspannungen U_G des Generators oder auch abhängig von weiteren Maschinengrößen der elektrischen Maschine 30 in einem entsprechenden Kennfeld hinterlegt werden.
Anhand dieser Kennlinien lassen sich entsprechend, sofern die elektrische Maschine einen hinreichend ausgeprägten Gleichgewichtszustand erreicht hat, der Polradwinkel in den jeweiligen Schaltzuständen S1, S2 direkt aus den Systemgrößen, beispielsweise dem Innenwiderstand, der Spuleninduktivität, sowie dem Verlauf der idealen Leerlaufspannung und der Ausgangsspannung der Elektrischen Maschine 30 ableiten. Eine entsprechende alternative Darstellungsform der Polradwinkelermittlung ist in den 10c und 10d dargestellt, wobei hier entsprechend zu den 10a und 10b der Verlauf des Polradwinkels ϑ über die Flankenzeit zumindest zweier Flanken eines Phasensignals der elektrischen Maschine 30 dargestellt ist. Der Vorteil an dieser Darstellung ist darin zu sehen, dass für die jeweiligen Ausgangsspannungen des Generators U_G = 14 Volt (vgl. 10c) und U_G = 2 Volt (vgl. 10d) eine weitestgehende Linearisierung des Verlaufs der Kennlinie des Polradwinkels ϑ gewährleistet ist.
Es können jedoch zwischen den Schaltzuständen S1 und S2, verursacht durch das Schalten zwischen diesen Zuständen Nichtgleichgewichtseffekte, sogenannte transiente Zustände auftreten, die zu einem dynamischen Verhalten von Systemgrößen der elektrischen Maschine 30 führen, wodurch auch der zeitliche Verlauf des Polradwinkels ϑ starke Oszillationen aufweisen kann (vgl. 11). Diese Nichtgleichgewichtszustände bilden sich typischerweise in einem Zeitfenster aus, das für die jeweilige elektrische Maschine 30 charakteristisch ist. Nach diesem Zeitfenster T sind in der Regel die dynamischen Effekte, wie es für ein gedämpftes oszillierendes System typisch ist, soweit gedämpft, dass diese in einen in guter Näherung stationären Zustand übergehen, wodurch wie zuvor bereits geschrieben, der Polradwinkel ϑ anhand der Systemgrößen der elektrischen Maschine 30, die in entsprechenden Kennfeldern hinterlegt sein können, ermittelbar ist (vgl. 11).
Dieses dynamische Verhalten, wie es in 11 innerhalb des Zeitabschnitts T abgebildet ist, ist jedoch für die elektrische Maschine 30 sowie für den jeweiligen Betriebszustand, indem sich die elektrische Maschine 30 befindet typisch, weswegen auch diese dynamischen Einschwingvorgänge D entsprechend bei der Ermittlung des Polradwinkels ϑ berücksichtigt werden können. Hierzu teilt sich die Bestimmung des Polradwinkels ϑ im Wesentlichen in drei Abschnitte auf, nämlich eine zweite Bestimmungsvorschrift K2 während des weiteren Schaltzustands S2 im linken Teil der Abbildung, in dem der Laderegler LR einen Transfer von elektrischer Energie in den Speicher S unterbindet. Dieser Zustand ist im Wesentlichen stationär, wie es in 11 abgebildet ist. In diesem Zustand liegt der Polradwinkel ϑ_S2 vor. Nun erfolgt zum Zeitpunkt t = 0 ein Umschalten von dem weiteren Schaltzustand S2 in den Ladezustand S1 und damit verbunden ein von der Polradwinkeldynamik geprägter zweiter Abschnitt T. Sobald der Ladezustand erneut einen stationären Zustand eingenommen hat (vgl. 11 rechts) kann der Polradwinkel ϑ gemäß der zuvor beschriebenen Bestimmungsvorschrift K1 anhand der entsprechenden Kennlinien bzw. Kennfelder O_Kenn1 bestimmt werden kann. In diesem Zustand S1 liegt der Polradwinkel ϑ_S1 vor.
Vorliegend sind im dynamischen Zeitbereich T beispielhaft fünf Amplitudenwerte ϑ_i angegeben, die den jeweiligen Zeitpunkten t_i , wobei i = 1 bis 5 ist, zugeordnet sind. Diese Werte geben vorliegend die maximalen Amplituden des dynamischen Polradwinkelverlaufs an. Je nach Art und Umfang dieser Amplituden, kann diese Amplitudenvariation bei einer Ermittlung des Polradwinkels ϑ zu einem gegebenen Zeitpunkt t_i , insbesondere im Zeitbereich T, berücksichtigt werden. Verläuft somit die Amplitudenvariation der Amplituden ϑ_i unter einem Schwellwert ϑ_s, bzw. einem entsprechenden Schwellwertband ϑ_s, so kann die Amplitudenvariation als näherungsweise konstant angenommen werden und entsprechen die Amplitudenvariation bei der Ermittlung des Polradwinkels ϑ lediglich als Konstante herangezogen werden. Übersteigt jedoch die Dynamik der Amplituden des Polradwinkels ϑ_i diesen Schwellwert ϑ_s, so wird das dynamische Verhalten innerhalb der Zeitdauer T für die Ermittlung des Polradwinkels ϑ herangezogen. Diese können vorliegend entsprechend als Applikationsgröße hinterlegt werden und entsprechend zur Ermittlung des Polradwinkels ϑ nach einem entsprechenden Schaltvorgang herangezogen werden. Die Bestimmung der jeweiligen Applikationsgrößen kann insbesondere mittels Referenzmessungen oder geeigneter Simulationsmodelle erfolgen. Es versteht sich, dass je nach Einfluss von Drehzahlgradienten auf die Applizierbarkeit der Korrekturterme die Schaltvorgänge an geeigneten Stellen im Arbeitsspiel der die elektrische Maschine 30 antreibende Brennkraftmaschine vorgenommen werden kann. Hierbei kommen insbesondere Arbeitsspiele in Betracht, bei denen ein Drehzahlverlauf n mit möglichst flachem also geringem Gradienten zu erwarten ist.
Eine mögliche Variante der Applikation kann sein, die Einschwingdauer T in Abhängigkeit der entsprechenden Betriebsparameter, wie zum Beispiel Drehzahl der elektrischen Maschine oder deren Ausgangsspannung, anzugeben und die Zeitpunkte t_i und Amplituden ϑ_i der Minima und Maxima währen des Einschwenkvorgangs auszuwerten. Für die Ermittlung des entsprechenden Polradwinkels ϑ während des Einschwingvorgangs im Zeitbereich T kann zwischen den applizierten Werten der Verlaufskurve interpoliert werden. Hierbei bieten sich Interpolationsverfahren an, die linear, quadratisch oder auf eine exponentielle Interpolation zurückgreifen. Je nach Art und Umfang der Dynamik und des entsprechenden Interpolationsverfahren lässt sich eine entsprechende Korrektur je nach Bedarf anpassen bzw. die Genauigkeit abhängig vom numerischen Aufwand nahezu beliebig erhöhen. Auf Basis des Interpolationsverfahrens können sodann entsprechende Korrekturtherme berechnet werden, die zu einer Korrektur des Polradwinkels ϑ herangezogen werden.
In einer weiteren Alternative können die entsprechenden Korrekturterme die zur Korrektur der Flankenzeitpunkte bzw. zur Korrektur des Polradwinkels ϑ herangezogen werden auch im laufenden Betrieb gelernt werden. Dies wird anhand von 12 illustriert. Gezeigt ist der Verlauf eines typischen Phasensignals U_U , wie es an einer elektrischen Maschine 30 erfasst werden kann. Zum Zeitpunkt t₁ wird der Zustand des Spannungsreglers vom Schaltzustand S1, in dem ein Stromfluss in den elektrischen Speicher S freigegeben ist, in Schaltzustand S2, in dem der Stromfluss in den elektrischen Speicher S durch Kurzschließen der Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 30 unterbunden ist, geändert. Hierdurch erhöht sich der Polradwinkel von einem ersten stationären Niveau ϑ_S1 auf ein weiteres stationäres Niveau ϑ_S2. Außerdem wird dieser weitere Polradwinkel ϑ_S2 in der ersten Zeit nach dem Schaltvorgang durch dynamische Vorgänge überlagert und weist Werte auf, die von den Werten der den Schaltzuständen zugehörigen Berechnungsvorschriften oder Kennfeldern abweichen. Die Ermittlung dieser abweichenden dynamischen Polradwinkelwerte können durch Extrapolation des Drehzahlsignals ermittelt werden.
Hierzu wird in einem ersten Schritt angenommen, dass der Polradwinkel nach dem Schaltvorgang direkt seinen weiteren stationären Wert ϑ_S2 annimmt. Aus dem geometrischen Abstand der Signalflanken und der Winkeldifferenz aus den stationären Polradwinkeln ϑ_S1 und ϑ_S2 wird der Winkel zwischen den Signalflanken berechnet, der sich bei rein stationärem Polradwinkelverhalten ergeben würde. Aus den Zeitabständen der Signalflanken vor dem Schaltvorgang bzw. dem zugehörigen Drehzahlverlauf n kann durch Extrapolation der Auftrittszeitpunkt der ersten Signalflanke FL'_UU nach dem Schaltvorgang unter Annahme stationärer Polradwinkel der Zeitabstand Δt_korr1 geschätzt werden. Nach Detektion der tatsächlichen ersten Signalflanke FL_UU nach dem Schaltvorgang wird aus der Differenz des gemessenen und des geschätzten Zeitabstands Δt_korr1 der zugehörige Winkel zu dieser Zeitdifferenz bestimmt und dieser als Korrekturterm zur Ermittlung des ersten dynamischen Polradwinkels ϑ_korr1 nach dem Schaltvorgang verwendet. Ebenso kann für die zweite Signalflanke FL_Ud zur Ermittlung von Δt_korr2 und dem zugehörigen zweiten dynamischen Polradwinkel ϑ_korr2 verfahren werden. Sollten weitere Flanken nach dem Schaltvorgang von den dynamischen Einschwingvorgängen des Polradwinkels betroffen sein, können auch für diese weiteren Flanken entsprechende Korrekturterme auf die gleiche Weise ermittelt werden.
Zur Erzielung einer guten Extrapolationsqualität können zum einen verschiedene Extrapolationsverfahren, wie beispielsweise lineare, quadratische, exponentielle oder Spline-Interpolation, verwendet werden. Je nach vorliegendem Drehzahlverlauf kann hierbei das Extrapolationsverfahren in geeigneter Weise gewählt werden. Zum anderen bietet es sich an, den Schaltvorgang und damit das Ermittlungsverfahren zu Zeitpunkten durchzuführen, an denen der Drehzahlverlauf eine besonders geringe oder bekannte Dynamik aufweist, sodass der Drehzahleinfluss bei der Extrapolation einfach berücksichtigt werden kann und das Ergebnis der Ermittlung der Korrekturterme nicht beeinflusst.
Statt einer Ermittlung von Korrekturtermen, die durch Addition zum stationären Polradwinkel den entsprechenden dynamischen Polradwinkel ϑ_korr1, ϑ_korr2 liefern, können auch Korrekturfaktoren ermittelt werden, die multiplikativ den gesuchten Polradwinkel ergeben.
Statt einer Schätzung der Auftrittszeitpunkte der Signalflanken Fl'_UU , Fl'_Ud unter Annahme stationärer Polradwinkel durch Extrapolation des vorhergehenden Verlaufs des Drehzahlsignals kann auch ein Signalverlauf eines vergleichbaren Betriebspunkts aus vorgehenden Umdrehungen, der nicht durch einen Schaltvorgang beeinflusst wurde, verwendet werden und die Auftrittszeitpunkte der unbeeinflussten beziehungsweise beeinflussten Signalflanken verglichen und daraus die Korrekturterme beziehungsweise Korrekturfaktoren zur Berechnung des dynamischen Polradwinkels ϑ_korr1, ϑ_korr2 ermittelt werden.
Die bestimmten Korrekturterme beziehungsweise Korrekturfaktoren und die sich daraus ergebenden dynamischen Polradwinkel ϑ_korr1, ϑ_korr2 nach einem Schaltvorgang können insbesondere zur Ermittlung der Drehwinkellage α des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30 herangezogen werden. Hierbei ist vorteilhaft, dass auch sich verändernde Maschinenparameter im Laufe der Zeit bei der Ermittlung des Polradwinkels ϑ berücksichtigt werden können. Dies ist insbesondere bei elektrischen Maschinen 30 relevant, deren Eigenschaften sich im laufenden Betrieb im Laufe der Zeit verändern. Demnach können entsprechende Degradationseffekte der elektrischen Maschine 30 im laufenden Betrieb bei der Ermittlung des Polradwinkels ϑ stets berücksichtigt werden.
In 13 ist schematisch ein Ablaufdiagramm angegeben, dem das zuvor bereits beschriebene Verfahren zur Ermittlung des Polradwinkels ϑ zugrunde liegt. In Schritt SU1 wird mittels des Ladereglers LR die elektrische Maschine 30 beschaltet, wobei hierbei entweder der erste Schaltzustand S1 oder der weitere Schaltzustand S2 eingenommen wird. In Schritt SU2 wird mittels einer jeweiligen Bestimmungsvorschrift K1 für den ersten Schaltzustand S1 und K2 für den weiteren Schaltzustand S2 der Polradwinkel ϑ in einem stationären Zustand der elektrischen Maschine 30 ermittelt. In einem weiteren alternativen Schritt SU3 werden dynamische Einschwingvorgänge D in einem Zeitbereich T, der für eine jeweilige elektrische Maschine 30 typisch ist, bei der Ermittlung des Polradwinkels ϑ berücksichtigt. In einem weiteren alternativen Schritt SU4 können zudem eine entsprechende Korrektur anhand sich verändernder Betriebsparameter der elektrischen Maschine im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine 30 bei der Korrektur des Polradwinkels ϑ berücksichtigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0664887 B1 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Polradwinkels (ϑ) einer elektrischen Maschine (30), welche einen Rotor (32) und einen Stator (33), mit zumindest einer Phasenwicklung (U, V, W) aufweist, wobei der elektrischen Maschine (30) ein schaltender Laderegler (LR) zugeordnet ist, der zur Regelung der elektrischen Maschine (30) und Beaufschlagung eines elektrischen Speichers (S) mit elektrischer Energie eingerichtet ist, wobei der Laderegler (LR) einen ersten Schaltzustand (S1) aufweist, in dem der elektrischen Speicher (S) mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, und einen weiteren Schaltzustand (S2) aufweist, in dem die Beaufschlagung des elektrischen Speichers (S) mit elektrischer Energie zumindest teilweise unterbunden wird, wobei der Polradwinkel (ϑ) im ersten Schaltzustand (S1) mittels einer ersten Bestimmungsvorschrift (K1) und im weiteren Schaltzustand (S2) mittels einer weiteren Bestimmungsvorschrift (K2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im ersten Schaltzustand (S1) die elektrische Maschine (30) derart betätigt wird, dass der elektrischen Speicher (S) mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, wobei im weiteren Schaltzustand (S2) die elektrische Maschine (30) derart betätigt wird, dass der Stromfluss von der elektrischen Maschine (30) in den elektrischen Speicher (S) durch Kurzschließen zumindest einer der Phasenwicklungen (U, V, W) oder durch Stromfreistellen zumindest einer der Phasenwicklungen (U, V, W) ohne Last geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Rahmen der ersten Bestimmungsvorschrift (K1) der Polradwinkel (ϑ) auf Basis eines numerischen Models und/oder auf Basis eines Kennfelds (O_Kenn1) und/oder im Rahmen der weiteren Bestimmungsvorschrift (K2) der Polradwinkel (ϑ) auf Basis eines weiteren numerischen Models und/oder auf Basis eines weiteren Kennfelds (O_Kenn2) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der ersten Bestimmungsvorschrift (K1) die Spannung (U_Bat) des elektrischen Speichers (S) bei der Ermittlung des Polradwinkels (ϑ) der elektrischen Maschine (30) berücksichtigt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei innerhalb einer Zeitdauer (T) nach einer Beschaltung der elektrischen Maschine (30) im Rahmen des ersten Schaltzustands (S1) und/oder nach einer Beschaltung der elektrischen Maschine (30) im Rahmen des weiteren Schaltzustands (S2) die durch die Beschaltung bewirkten dynamischen Einschwingvorgänge (D) im zeitlichen Verlauf zumindest einer der der Ermittlung des Polradwinkels (ϑ) zugrundeliegenden Maschinengrößen der elektrischen Maschine (30) bei der Ermittlung des Polradwinkels (ϑ) der elektrischen Maschine (30) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die dynamischen Einschwingvorgänge (D) im zeitlichen Verlauf des Polradwinkels (ϑ) derart charakterisiert werden, dass Amplituden (ϑ_i) des Polradwinkels (ϑ) und/oder Betriebsparameter der elektrischen Maschine (30) innerhalb der Zeitdauer (T) bestimmt und als Maß für die Berücksichtigung der dynamischen Einschwingvorgänge (D) bei der Ermittlung des Polradwinkels (ϑ) herangezogen werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kennfeld (O_Kenn1) oder das weitere Kennfeld (O_Kenn2) als Eingangsgröße zumindest die Ausgangsspannung (U_G) der elektrischen Maschine (30) und die Drehzahl (n) oder die Zeit (Δt) zwischen zwei Flanken (Fl_Uu, Fl_Vu, Fl_Wu, Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) zumindest eines Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und als Ausgangsgröße den Polradwinkel (ϑ) aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein in zumindest einem der Kennfelder hinterlegter Wert für den Polradwinkel (ϑ) in einer ersten Umdrehung des Rotors (32) herangezogen und dieser Wert durch einen auf Basis von Messungen ermittelten Wert (ϑ_i) des Polradwinkels (ϑ) innerhalb der Zeitdauer (T) der dynamischen Einschwingvorgänge (D) korrigiert wird, wobei der korrigierte Polradwinkel (ϑ_korr1, ϑ_korr2) in einer weiteren Umdrehung des Rotors (32), insbesondere im Zeitbereich weiterer dynamischer Einschwingvorgänge, genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der ungestörte Verlauf von elektrischen Maschinengrößen der elektrischen Maschine (30), die zur Ermittlung des Polradwinkels (ϑ) herangezogen werden, in einem gleichen oder bezüglich des Polradwinkelverlaufs (ϑ) vergleichbaren Betriebspunkt der elektrischen Maschine (30) gelernt werden, in dem kein Schaltvorgang (S1, S2) auftritt, wobei durch Vergleich des ungestörten Verlaufs der elektrischen Maschinengrößen mit dem Verlauf der elektrischen Maschinengrößen nach zumindest einem der Schaltvorgänge (S1, S2) ein weiter korrigierter Polradwinkel (ϑ_korr1, ϑ_korr2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Unterbinden des Stromflusses von der elektrischen Maschine (30) in den elektrischen Speicher (S) abhängig von zumindest einer Drehwinkellage (α_Phase) des Rotors (32) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Polradwinkel (ϑ) zur Ermittlung der Drehwinkellage (α_Phase) des Rotors (32) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die 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.
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 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.