DE102018102329A1

DE102018102329A1 - Verfahren zur Steuerung eines Kupplungssystems

Info

Publication number: DE102018102329A1
Application number: DE102018102329.4A
Authority: DE
Inventors: Jie Zhou
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2019-08-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Kupplungssystems (1) mit einer Kupplung (2), insbesondere einer Hybridkupplung zur Zuschaltung einer Elektromaschine zu einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mittels eines elektrischen Kupplungsaktors (3), wobei der Kupplungsaktor (3) einen elektronisch kommutierten Elektromotor (14), ein von einem Rotor (16) des Elektromotors (14) angetriebenes, eine Rotation in eine lineare Bewegung transformierendes Transformationsgetriebe (17) und eine Sensoreinrichtung (4) zur Erfassung eines Betätigungswegs (s) einer von dem Transformationsgetriebe (17) verlagerten, ein Reibmoment der Kupplung (2) abhängig von dem Betätigungsweg (s) einstellenden Tellerfeder (13) enthält, wobei unter Berücksichtigung der Übersetzung des Transformationsgetriebes (17) ein Drehwinkel über mehrere Umdrehungen des Rotors (16) mittels zumindest eines einzelne Inkremente eines an dem Rotor (16) angeordneten Magnetrings (5) mit einer vorgegebenen Anzahl über den Umfang angeordneter Polpaare erfassenden Hallsensors (23, 24) ermittelt wird. Um bei einem Ausfall mehrerer Inkremente eine absolute Wegposition des Kupplungsaktors (3) wiederherstellen zu können, wird zur Ermittlung der absoluten Wegposition des Betätigungswegs nach dem Verlust mehrerer Inkremente an einem aktuell erfassten Drehwinkel des Rotors (16) eine Systeminformation des Kupplungssystems (1) ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Kupplungssystems mit einer Kupplung, insbesondere einer Hybridkupplung zur Zuschaltung einer Elektromaschine zu einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mittels eines elektrischen Kupplungsaktors, wobei der Kupplungsaktor einen elektronisch kommutierten Elektromotor, einen von einem Rotor des Elektromotors angetriebenes, eine Rotation in eine lineare Bewegung transformierendes Transformationsgetriebe und eine Sensoreinrichtung zur Erfassung eines Betätigungswegs einer von dem Transformationsgetriebe verlagerten, ein Reibmoment der Kupplung abhängig von einem Betätigungsweg einstellenden Tellerfeder enthält, wobei unter Berücksichtigung der Übersetzung des Transformationsgetriebes ein Drehwinkel über mehrere Umdrehungen des Rotors mittels zumindest eines digitalen, einzelne Inkremente eines an dem Rotor angeordneten Magnetrings mit einer vorgegebenen Anzahl über den Umfang angeordneter Polpaare erfassenden Hallsensors ermittelt wird.
Gattungsgemäße Kupplungssysteme enthalten eine Kupplung, bevorzugt eine Reibungskupplung und einen automatisierten, von einem Steuergerät gesteuerten Kupplungsaktor, um insbesondere in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs ein zu übertragendes Drehmoment zu steuern. Derartige Kupplungen können zwischen einer Brennkraftmaschine und einem Getriebe oder bevorzugt zwischen einer Elektromaschine und der Brennkraftmaschine beziehungsweise dem Getriebe angeordnet sein, um ein rein elektrisches oder hybridisches Fahren, Rekuperieren oder einen Start der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Um die Kupplung zu betätigen, ist beispielsweise ein Hebelelement, beispielsweise je nach Ausbildung einer Kupplung als zwangsweise geschlossene oder zwangsweise geöffnete Reibungskupplung beispielsweise eine Tellerfeder oder Hebelfeder vorgesehen, die entlang eines Betätigungswegs linear von dem Kupplungsaktor betätigt wird, wobei das zu übertragende Drehmoment mit dem Betätigungsweg korrelierbar ist.
Verschiedene Betätigungspositionen über den Betätigungsweg werden dabei mittels eines Elektromotors eingestellt, dessen Rotorbewegungen mittels eines Transformationsgetriebes in eine lineare Bewegung eines das Hebelelement linear beaufschlagenden Betätigungsglieds transformiert werden. Das Transformationsgetriebe kann beispielsweise als Kugelgewindetrieb ausgebildet sein. Der Rotor des Elektromotors treibt dabei eine axial feste Spindel an, die über Wälzkörper im Umlauf eine linear verlagerbare drehfest angeordnete Spindelmutter antreibt.
Hierbei erfasst eine beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2013 208 986 A1 , DE 10 2013 213 948 A1 , DE 10 2013 222 366A1 , DE 10 2013 211 041 A1 bekannte Sensoreinrichtung den linearen Weg des Betätigungsglieds und damit den Weg des Hebelelements. Hierzu wird die Rotationsbewegung des Rotors erfasst und aus der festen Übersetzung des Transformationsgetriebes der Betätigungsweg berechnet. Hierzu weist der Rotor einen Magnetring mit über den abwechselnd angeordneten Polpaaren auf, wobei die Wechsel der Polaritäten von einem Sensor, beispielsweise einem digitalen Hallsensor erfasst werden. Aus der Anzahl der erfassten Inkremente kann aufgrund der Wechsel der Polarität der Polpaare ein Drehwinkel des Rotors erfasst werden und damit der relative Betätigungsweg berechnet und gegebenenfalls der Elektromotor elektronisch kommutiert werden. Mehrere Hallsensoren können die Auflösung des Drehwinkels erhöhen. Die absolute Stellung des Betätigungsglieds kann beispielsweise mittels Kalibration beispielsweise am Bandende des Montagebands des Kraftfahrzeugs oder beispielsweise beim Abstellen oder vor dem Start des Kraftfahrzeugs oder nicht betätigtem oder voll betätigtem Kupplungsaktor erfolgen. Gehen zwischenzeitlich fehlerbedingt Inkremente verloren, geht auch die absolute Zuordnung des Betätigungswegs verloren.
In der Druckschrift DE 10 2016 207 643 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Rotors gegenüber einem Stator bekannt, bei dem bei Auftreten eines Inkrementfehlers die absolute Position des Rotors innerhalb einer mechanischen Umdrehung des Rotors wiedergefunden wird. Hierbei wird durch Vergleich mehrerer Kommutierungsschritte und deren im Hallsensor erfassten Signale die absolute Winkelbeziehung zwischen Rotor und Stator wiederhergestellt. Eine Ermittlung der linearen absoluten Wegposition bei mehreren Inkrementfehlern bei einer größeren Anzahl von Umdrehungen des Rotors, als bei Drehwinkeln größer 360° des Rotors ist dabei nicht möglich. Die Offenbarung, die Drehwinkelinformation eines Rotors innerhalb einer einzigen Umdrehung des Rotors wiederherzustellen, wird hierbei vollinhaltlich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verfahrens zum Betrieb eines gattungsgemäßen Kupplungssystems. Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, welches eine absolute Wegpositionsermittlung trotz Inkrementfehlern der Sensoreinrichtung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Steuerung eines Kupplungssystems mit einer Kupplung, insbesondere einer Hybridkupplung zur Zuschaltung einer Elektromaschine zu einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs und einem diese betätigenden Kupplungsaktor. Die Kupplung ist bevorzugt als zugedrückte oder aufgedrückte, das heißt zwangsweise geschlossene oder zwangsweise geöffnete Reibungskupplung ausgebildet, wobei ein Betätigungsglied ein Hebelelement, beispielsweise eine Hebelfeder oder eine Tellerfeder entlang eines axialen Betätigungswegs unter linearer Beaufschlagung belastet. Dabei ergibt sich entlang des Betätigungswegs ein typisches Kraftverhalten, die sogenannte Kupplungskennlinie.
Der Kupplungsaktor ist bevorzugt elektrisch betrieben, wobei der Kupplungsaktor einen elektronisch kommutierten Elektromotor, ein von einem Rotor des Elektromotors angetriebenen Kugelgewindetrieb und eine Sensoreinrichtung zur Erfassung eines Betätigungswegs einer von dem Kugelgewindetrieb verlagerten, ein Reibmoment der Kupplung abhängig von einem Betätigungsweg einstellenden Tellerfeder enthält. Der Elektromotor ist bevorzugt als elektronisch kommutierter Elektromotor ausgebildet. Das Transformationsgetriebe kann beispielsweise als Kugelgewindetrieb ausgebildet sein, wobei der Rotor eine Spindel drehantreibt oder diese beispielsweise einteilig enthält. Die Spindel ist axial fest aufgenommen und treibt mittels in einem Umlauf befindlichen Wälzkörpern eine axial verlagerbare und drehfest angeordnete Spindelmutter an, die ihrerseits das Betätigungsglied zur linearen Belastung des Hebelelements der Kupplung betätigt oder enthält.
Die Sensoreinrichtung ist als rotativ wirksame, an dem Rotor des Elektromotors angebrachte Sensoreinrichtung vorgesehen, welche zugleich der Kommutierung des Elektromotors dienen kann. Hierbei wird unter Berücksichtigung der Übersetzung des Transformationsgewindes ein Drehwinkel über mehrere Umdrehungen des Rotors mittels zumindest eines digitalen, einzelne Inkremente eines an dem Rotor angeordneten Magnetrings mit einer vorgegebenen Anzahl über den Umfang angeordneter Polpaare erfassenden Hallsensors und mittels zumindest eines analogen Hallsensors zur Erfassung zumindest eines Teils einer Anzahl von Umdrehungen des Rotors ein Betätigungsweg des Betätigungsglieds und damit des Hebelelements der Kupplung ermittelt. Beispielsweise sind bei einem Betätigungsweg von 9 mm und einer Übersetzung des Transformationsgetriebes von 2 mm/Umdrehung viereinhalb Rotorumdrehungen nötig. Bei einer Anordnung von beispielsweise 11 Polpaaren auf dem Magnetring ergeben sich dadurch für den gesamten Betätigungsweg rechnerisch 49,5 Inkremente. Um bei einem Verlust mehrerer Inkremente dennoch die aktuell eingestellte Wegposition ohne ein aufwendiges Anfahren einer Referenzposition des Betätigungsglieds und damit ohne dynamische Verluste bei der Betätigung der Kupplung wiederherstellen zu können, wird zur Ermittlung der absoluten, aktuell eingestellten Wegposition des Betätigungswegs nach dem Verlust mehrerer Inkremente an einem aktuell erfassten Drehwinkel des Rotors eine Systeminformation des Kupplungssystems ausgewertet. Dies bedeutet, dass eine sich über den Betätigungsweg typisch verändernde und von einem geeigneten Erfassungsmittel erfasste und/oder in einer Speichereinrichtung abgespeicherte Größe zur Beurteilung der aktuellen Wegposition herangezogen wird. Hierbei kann in der Regel die Rekonstruktion des Drehwinkels entsprechend des Stands der Technik winkelgetreu rekonstruiert werden, wobei die sich über eine volle Umdrehung des Rotors wiederholenden Inkrementsignale beziehungsweise Signalmuster keine Information mehr enthalten, in welcher der beispielsweise genannten viereinhalb Umdrehungen sich der Rotor befindet. Die zusätzliche Auswertung der Signalinformation des Kupplungssystems erfüllt dabei die Aufgabe, die grobe Lage wie Wegposition des Betätigungsglieds wiederherzustellen und damit die Information, in welcher Umdrehung sich der Rotor befindet. Hierzu kann die Signalinformation soweit ausreichend sein, dass einzelne Umdrehungen des Rotors voneinander unterschieden werden können.
Beispielsweise kann als Systeminformation eine Kupplungskennlinie der Kupplung über den Betätigungsweg ausgewertet werden. Bei der Kupplungskennlinie ändert sich die Betätigungskraft über den Betätigungsweg, so dass bei einem Verlust von Inkrementen der Sensoreinrichtung die aktuelle Umdrehungszahl des Rotors und aus der Rekonstruktion des Drehwinkels des Rotors innerhalb dieser Umdrehung die absolute Wegposition in ausreichender Genauigkeit wiederhergestellt werden kann.
Die Systeminformation der Kupplungskennlinie ist abhängig vom Verschleiß der Kupplung. Es kann daher vorteilhaft sein, die Kennlinie abhängig von einem Verschleiß der Kupplung zu ermitteln und bei einem Verlust von Inkrementen der Sensoreinrichtung eine verschleißkompensierte Signalinformation anzuwenden. Der Verschleiß kann aufgrund von verschleißbestimmenden Parametern, beispielsweise Nutzungsprofilen beispielsweise unter Verwendung der Fahrleistung, Reibintegralen, der über die Kupplung übertragenen Leistung, Schlupfvorgängen an der Reibungskupplung und/oder dergleichen und/oder empirisch ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Verschleißtabelle oder eine Verschleißfunktion in dem Steuergerät zur Steuerung des Kupplungssystems vorgesehen sein, die laufend adaptiert werden können. Derartige Kupplungskennlinien sowie deren adaptierte Parameter können in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kupplungskennlinie beispielsweise während Wartungen des Kraftfahrzeugs beispielsweise nach 30000 km Fahrleistung neu gelernt werden.
Um Fehler bei der Zuordnung der aktuellen Umdrehung des Rotors zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, wenn die aufgrund der Kupplungskennlinie beziehungsweise der Betätigungskraft wiederhergestellte absolute Wegposition ausschließlich bei konstanter Drehzahl der Kupplung ermittelt wird.
Beispielsweise kann als Systeminformation eine von der Kupplungskennlinie der Kupplung abhängige aktuelle elektrische Größe des Elektromotors beispielsweise abhängig von dessen Beschaltung ausgewertet werden. Beispielsweise kann der zur Betätigung der Kupplung notwendige Strom, die Pulsweite eines pulsweitenmodulierten Elektromotors, die erforderliche Leistung des Elektromotors, die Größe der Versorgungsspannung und/oder dergleichen ausgewertet werden. Hierbei kann bei Verlust einer Mehrzahl von Inkrementen der Elektromotor kurzfristig abgeschaltet werden und die aktuelle absolute Wegposition aus dem sich nach der Abschaltung ergebenden Trägheitsmoment des Kupplungssystems ermittelt werden. Hierbei kann die absolute Wegposition bei konstanter Drehzahl der Kupplung oder in einer Beschleunigungsphase der Kupplung ermittelt werden.
Hierbei kann eine Ermittlung des Trägheitsmoments in zumindest einem Intervall zwischen einer Abschaltposition des Elektromotors und zumindest einer zeitlich auf diese folgende Wegposition des Betätigungswegs vorgesehen werden. Dies bedeutet, dass das ermittelte Wegintervall eine Signalinformation für die Ermittlung der Umdrehungszahl des Rotors und damit der aktuell absoluten Wegposition dienen kann. Hierbei korreliert die Größe des Intervalls mit der Betätigungskraft der Kupplung und damit der absoluten Wegposition anhand der Kupplungskennlinie. Das Wegintervall kann beispielsweise anhand der Drehwinkelinformation des zumindest einen Hallsensors unter Berücksichtigung der Übersetzung des Transformationsgetriebes ermittelt werden. Da diese über den Betätigungsweg in der Regel konstant ist, können direkt Drehwinkelintervalle als der Kupplungskennlinie zuzuordnende Signalinformationen ausgewertet werden.
In einer zu der direkten Zuordnung von Weg- beziehungsweise Drehwinkelintervallen zu der Kupplungskennlinie aufgrund des Trägheitsmoments können ausgehend von der Abschaltposition Ableitungen der Weg- beziehungsweise Drehwinkelintervalle nach der Zeit ausgewertet werden.
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:

1 den oberen Teil eines Kupplungssystems im Schnitt,
2 eine 3D-Teilansicht der Sensoreinrichtung des Kupplungssystems der 1,
3 ein Mehrfachdiagramm zur Darstellung der Kupplungskennlinie der Kupplung der 1,
4, ein Blockschaltbild zur Ermittlung der absoluten Wegposition bei verlorenen Inkrementen,
5 eine Kupplungskennlinie im Neuzustand und bei Verschleiß,
6 ein Mehrfachdiagramm von Drehzahl und Beschleunigung gegen die Zeit an einer vorgegebenen Wegposition,
7 ein Mehrfachdiagramm von Drehzahl und Beschleunigung gegen die Zeit an einer weiteren vorgegebenen Wegposition,
8 ein Mehrfachdiagramm von Drehzahl und Beschleunigung gegen die Zeit an einer weiteren vorgegebenen Wegposition und
9 unterschiedliche Darstellung der Rotationsbeschleunigung in Abhängigkeit von Zeit und Wegposition.

Die 1 zeigt den oberen Teil des um die Drehachse d angeordneten Kupplungssystems 1 mit der Kupplung 2, dem Kupplungsaktor 3 und der Sensoreinrichtung 4, von der lediglich der Magnetring 5 einsehbar ist, im Schnitt.
Die Kupplung 2 ist als Hybridkupplung zur reibschlüssigen Verbindung des Rotors 6 der radial um die Kupplung 2 angeordneten Elektromaschine mit der Antriebswelle 7, die beispielsweise einer Brennkraftmaschine zugeordnet sein kann, vorgesehen. Die mit dem Rotor 6 drehfest verbundene Nabe 8 ist beispielsweise mit einer Getriebeeingangswelle eines Getriebes drehschlüssig verbunden. Hierzu enthält die als zwangsweise geöffnete Reibungskupplung ausgebildete Kupplung 2 die axial fest am Rotor 6 gelagerte Gegendruckplatte 9 und die mit dieser drehfest und axial verlagerbare Anpressplatte 10. Zwischen diesen sind die Reibbeläge 12 der mit der Antriebswelle 7 drehfest verbundenen Kupplungsscheibe 11 reibschlüssig vorspannbar angeordnet. Im geschlossenen Zustand spannt dabei die Tellerfeder 13 mit einer vorgegebenen Vorspannung entgegen der Wirkung der Belagfederung der Kupplungsscheibe 11 und entgegen der von zwischen Gegendruckplatte 9 und Anpressplatte 10 angeordneten Blattfedern vor, wobei sich ein Reibmoment zwischen der Anpressplatte 10, der Gegendruckplatte 9 und den Reibbelägen 12 und damit eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen Antriebswelle 7 und Nabe 8 ausbildet.
Der Kupplungsaktor 3 beaufschlagt die Tellerfeder 13 entlang eines linearen axialen Betätigungswegs radial innen und öffnet damit die Kupplung 2 unter Lösung des Reibschlusses zwischen Anpressplatte 10, Gegendruckplatte 9 und Reibbelägen 12. Hierbei ist entlang des Betätigungswegs das in 3 dargestellte Kupplungskennlinienverhalten wirksam.
Der Kupplungsaktor 3 weist hierzu den Elektromotor 14 mit dem Stator 15 und dem Rotor 16 und das als Kugelgewindetrieb 18 ausgebildete Transformationsgetriebe 17 zur Wandlung der Rotorbewegung des Rotors 16 in die lineare Bewegung des die Tellerfeder 13 beaufschlagenden, drehentkoppelten Betätigungsglieds 19 entlang des Betätigungswegs, auf. Der Kugelgewindetrieb 18 weist die mit dem Rotor 16 verbundene Spindel 20 und die Spindelhülse 21 auf, zwischen denen die Wälzkörper 22 im Umlauf abwälzen. Die Übersetzung des Kugelgewindetriebs 18 beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 2,0 mm pro Umdrehung des Rotors 16. Der Betätigungsweg beträgt ca. 9 mm, so dass der Rotor 16 für einen Hub der Kupplung 2 entlang des Betätigungswegs ca. 4,5 Umdrehungen benötigt.
Die Sensoreinrichtung 4 erfasst den Drehwinkel des Rotors 16 mittels der in der 2 dargestellten Hallsensoren 23, 24, welche an dem Magnetring 5 hier stirnseitig positioniert sind. Dabei erfassen mehrere - hier beispielsweise drei - digitale Hallsensoren 23 ein aufgrund der über den Umfang inhomogen verteilten Polpaare ein Signalmuster von Inkrementen, so dass eine Drehrichtung des Rotors 16 erfasst werden kann. Zumindest ein analog ausgewerteter Hallsensor 24 liefert ein im Wesentlichen sinusförmiges Signal, so dass die Auflösung des Drehwinkels auf Drehwinkelbereiche unterhalb unterscheidbarer Inkremente des zumindest einen digital ausgewerteten Hallsensors gesenkt werden kann. Der Magnetring 5 weist hier elf Polpaare auf, so dass entlang des Betätigungswegs mit den 4,5 Rotorumdrehungen annähernd 50 Inkremente unterschieden werden können, die bei einem einzigen digitalen Hallsensor 23 an sich eine Auflösung von 0,18 mm ermöglichen. Durch die Verwendung von drei Hallsensoren 23 und einer nicht gleichmäßigen Teilung der Polpaare über den Umfang können sechs verschiedene Kombinationen von Signalmustern erfasst werden, so dass eine Auflösung von 0,03 mm erzielt wird. Werden zusätzlich die analogen, sinusförmigen Signale der beiden analogen Hallsensoren 24 herangezogen, kann eine Auflösung des Betätigungswegs von 0,25 µm erzielt werden.
Die Zuordnung einer absoluten Wegposition des Betätigungsglieds 19 erfolgt mittels einer zeitaufwendigen Kalibrierung, wobei das Betätigungsglied an eine Referenzposition, beispielsweise den minimalen oder maximalen Betätigungsweg gefahren wird. Mehrere Umdrehungen des Rotors 16 und damit der gesamte Betätigungsweg, werden durch aufeinander folgendes Zählen der Inkremente absolut bestimmt. Werden mehrere Inkremente verloren, wird ebenfalls die Orientierung verloren, in welcher Umdrehung sich der Rotor 16 befindet. Um die aktuelle Umdrehung und damit die aktuelle absolute Wegposition wiederherzustellen, werden systemspezifische Eigenschaften des Kupplungssystems 1 herangezogen.
Bei dem Kupplungssystem 1 stehen die Parameter Anpresskraft der Tellerfeder 13 und der Betätigungsweg in gegenseitiger Beeinflussung. Dieser Zusammenhang ist in dem Mehrfachdiagramm 25 der 3 dargestellt. Hierbei zeigt die Kurve 26 des Teildiagramms a) den erforderlichen Strom I des Elektromotors 14 zur Betätigung der Kupplung 2 über den Betätigungsweg s mit den Toleranzgrenzen 27. Die Kurve 28 des Teildiagramms b) zeigt die Stromänderung Í über den Betätigungsweg s und die Kurve 29 des Teildiagramms c) die Anpresskraft M_L der Tellerfeder 13 über den Betätigungsweg s. Das Kupplungssystem 1 kann zudem mittels der Zustandsgleichung (1) beschrieben werden: $(\begin{matrix} L & 0 \\ 0 & J \end{matrix}) \cdot (\begin{array}{l} \dot{I} \\ \ddot{φ} \end{array}) + (\begin{matrix} R & - K_{e} \\ K_{t} & - K_{D} - M_{R} \cdot s i g (\dot{φ}) \end{matrix}) \cdot (\begin{array}{l} I \\ \dot{φ} \end{array}) = (\begin{matrix} U \\ M_{L} (φ) \end{matrix})$
Hierin bedeuten:

L:: Induktivität des Motors
J:: Trägheitsmoment des Motors
I:: Strom
Í:: Stromänderung
φ:: Winkelposition
φ̇:: Winkelgeschwindigkeit
φ̈:: Winkelbeschleunigung
Ke:: Back EMF Konstante
Kt:: Motorkonstante
U:: Ankerspannung
M_R:: Reibungsmoment
K_D:: Dämpfungsfaktor
M_L:: Anpresskraft der Tellerfeder

Mittels der Zustandsgleichung (1) kann ein Systemmodell dargestellt werden und damit die entsprechenden Kurven 26, 28, 29 validiert werden. Hieraus wird auch deutlich, dass die quasi sinusförmigen Kurven 26, 28 miteinander korrelieren.
Gemäß einer ersten Variante des vorgeschlagenen Verfahrens wird nach einem Verlust von Inkrementen die aktuell noch von der Sensoreinrichtung 4 erfasste Drehwinkelinformation zugrunde gelegt, um anhand der Kurven 26, 28 die absolute Wegposition des Betätigungsglieds 19 zu erfassen. Hierbei wird anhand der sinusförmigen Kurve 26 in die beiden von der gestrichelten Linie getrennten Positionsbereiche BI, BII anhand einer Messung des Stroms I die Bewegungsrichtung entlang des Betätigungswegs s, das heißt die Drehrichtung des Rotors 16 ermittelt. Danach wird anhand beispielsweise zweier oder mehrerer Messpunkte der Kurve 28 die aktuelle absolute Wegposition bestimmt. Die Erfassung der Stromänderung und Zuordnung der absoluten Wegposition ist dabei aufgrund der vorherigen Festlegung auf einen der Positionsbereiche BI, BII eindeutig.
Die 4 zeigt hierzu den entsprechenden Ablauf dieser ersten Variante in Form des Blockschaltbilds 30. In Block 31 wird anhand von Steuerbefehlen und Winkelinformationen der Sensoreinrichtung 4 durch Einordnung der Ströme I in einen der beiden Positionsbereiche BI, BII die Drehrichtung erkannt. Nachfolgend wird abhängig von der erkannten Drehrichtung in einen der beiden Drehrichtungszweige 32, 33 verzweigt. In den Blöcken 34, 35 wird auf den entsprechenden Positionsbereich BI, BII der Stromänderung verwiesen. In den Blöcken 36, 37 wird in dem entsprechenden Positionsbereich BI, BII anhand der ermittelten Stromänderung f der Kurve 28 die absolute Wegposition bestimmt. Alternativ können entsprechende Wegpositionswerte (Position) den Stromänderungen zugeordnet werden, wobei Tabelle de4n Positionsbereich BI und die Tabelle 2 den Positionsbereich BII abdeckt. Tabelle 1

Index. Position (mm) Strom (A) Stromänderung Í (Als)

1 -1 6 -0.5

2 -0.5 7 -0.4

3 0 6 -0.3

...

n 6 8 0

Tabelle 2

Index. Position (mm) Strom (A) Stromänderung Í (A/s)

1 6 8 0

2 5.5 9 -0.1

3 6 10 -0.2

n -1 8 -0.5
Nach dieser Bestimmung der absoluten Wegposition beziehungsweise der Anzahl der physikalischen Umdrehungen des Rotors 16 wird in an sich bekannter Weise in den Blöcken 38, 39 der Drehwinkel des Rotors 16 anhand der erfassten Daten der Hallsensoren 23, 24 bestimmt, so dass zusammengesetzt die absolute, wiederhergestellte Wegposition s_abs ausgegeben wird. Für die Genauigkeit der Bestimmung der absoluten Wegposition ist die Genauigkeit der Strommessung von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise kann bei einer Genauigkeit der Strommessung von 1% eine Wiederherstellung der absoluten Wegposition innerhalb 100 µm erzielt werden. Ausreichend kann in vielen Fällen beispielsweise eine Genauigkeit der Strommessung von 10% sein.
Die 5 zeigt das Diagramm 40 mit den beiden Kurven 41, 42, die den Zusammenhang zwischen dem Strom I über den Betätigungsweg s in zwei unterschiedlichen Verschleißzuständen der Kupplung 2 darstellen. Die Kurven 41, 42 werden dabei im Wesentlichen über den Verschleiß um einen Wegbetrag dvs zu kleineren Wegpositionen verschoben. Entsprechend der Gleichung (2) $d_{v s} < α$
wird geprüft, ob der Wegbetrag dvs kleiner als der Wert α ist. Der Wert α ist abhängig von der Messgenauigkeit T und der Steigung P des Kugelgewindetriebs 18 gemäß der Ungleichung (3) $α + T < \frac{p}{2}$
Überschreitet der Wegbetrag dvs den Wert α, wird ein erneutes Lernen des Zusammenhangs der Kupplungskennlinie über den Betätigungsweg des Kupplungsaktors 3 vorgeschlagen oder eine entsprechende Korrekturfunktion angewendet.
Aufgrund der Abhängigkeit des Stroms I von der Beschleunigung des Rotors 16 wird die vorgeschlagene erste Variante bevorzugt bei konstanter Drehzahl eingesetzt.
Zur Anwendung bei konstanter Drehzahl und während einer Beschleunigung des Rotors 16 kann nachfolgend aufgeführte zweite Variante angewendet werden. Hierbei wird ein Trägheitsmoment des Kupplungssystems 1 als Systeminformation zur Wiederherstellung der absoluten Wegposition nach einem Signalverlust der Sensoreinrichtung 4 verwendet. Dabei wird nach einem Erkennen eines Verlusts von Inkrementen die Ankerspannung U des Elektromotors 14 gemäß der Gleichung (4) $(\begin{matrix} L & 0 \\ 0 & J \end{matrix}) \cdot (\begin{array}{l} \dot{I} \\ \ddot{φ} \end{array}) + (\begin{matrix} R & - K_{e} \\ K_{t} & - K_{D} - M_{R} \cdot s i g (\dot{φ}) \end{matrix}) \cdot (\begin{array}{l} I \\ \dot{φ} \end{array}) = (\begin{matrix} U \\ M_{L} (φ) \end{matrix})$
mit

3

6

8

43

44

45

16

14

43

44

45

23

24

43

44

45

43

44

45

M1

a

14

t1

t2

M2

M3

Das Mehrfachdiagramm 46 der 9 zeigt eine abgeänderte Darstellung des in den 6 bis 8 dargestellten Zusammenhangs der Beschleunigung a des Rotors 16 nach Abschaltung des Elektromotors 14 über die Zeit t und den Betätigungsweg. Das Teildiagramm a) zeigt hierbei eine dreidimensionale Darstellung der Beschleunigung a, der Zeit t und der Startpunkte so des Abschaltens des Elektromotors 14 bei entsprechender Wegposition. Das Teildiagramm b) zeigt die entsprechende zweidimensionale Darstellung der Zeit t über den Startpunkt s₀ und die Kurvenschar mit den zugehörigen Beschleunigungskurven. Das Teildiagramm c) zeigt das dem Teildiagramm a) entsprechende Verhalten mit der zeitlichen Ableitung a/dt der Beschleunigung a und das Teildiagramm d) das dem Teildiagramm a) entsprechende Verhalten mit der zeitlichen Ableitung a/dt.
Die sich ausbildenden Kurven 47, 48 zeigen, in welchen Zeitintervallen, beispielsweise zwischen 0,05 und 0,5 Sekunden der Kupplungsaktor 3 abhängig vom Startpunkt so die maximale Beschleunigung erreicht. Aus diesem Zusammenhang kann mittels der Informationen der mitmessenden Hallsensoren die aktuelle absolute Wegposition ermittelt werden. Insbesondere bei kleinen Startpunkten so kann die zusätzliche Auswertung der Kurve 48 notwendig sein, während bei größeren Startpunkten die Auswertung der Kurve 47 ausreichend ist.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungssystem
2: Kupplung
3: Kupplungsaktor
4: Sensoreinrichtung
5: Magnetring
6: Rotor
7: Antriebswelle
8: Nabe
9: Gegendruckplatte
10: Anpressplatte
11: Kupplungsscheibe
12: Reibbelag
13: Tellerfeder
14: Elektromotor
15: Stator
16: Rotor
17: Transformationsgetriebe
18: Kugelgewindetrieb
19: Betätigungsglied
20: Spindel
21: Spindelhülse
22: Wälzkörper
23: Hallsensor
24: Hallsensor
25: Mehrfachdiagramm
26: Kurve
27: Toleranzgrenze
28: Kurve
29: Kurve
30: Blockschaltbild
31: Block
32: Drehrichtungszweig
33: Drehrichtungszweig
34: Block
35: Block
36: Block
37: Block
38: Block
39: Block
40: Diagramm
41: Kurve
42: Kurve
43: Mehrfachdiagramm
44: Mehrfachdiagramm
45: Mehrfachdiagramm
46: Mehrfachdiagramm
47: Kurve
48: Kurve
a): Teildiagramm
b): Teildiagramm
c): Teildiagramm
d): Teildiagramm
a: Beschleunigung
a/dt: Ableitung der Beschleunigung
BI: Positionsbereich
BII: Positionsbereich
d: Drehachse
dvs: Wegbetrag
I: Strom
Í: Stromänderung
M1: Startpunkt
M2: Zustandspunkt
M3: Zustandspunkt
M_L: Anpresskraft
n: Drehzahl
s: Betätigungsweg
s₀: Startpunkt
s_abs: absolute Wegposition
t: Zeit
t1: Zeitpunkt
t2: Zeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013208986 A1 [0004]
DE 102013213948 A1 [0004]
DE 102013222366 A1 [0004]
DE 102013211041 A1 [0004]
DE 102016207643 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Kupplungssystems (1) mit einer Kupplung (2), insbesondere einer Hybridkupplung zur Zuschaltung einer Elektromaschine zu einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mittels eines elektrischen Kupplungsaktors (3), wobei der Kupplungsaktor (3) einen elektronisch kommutierten Elektromotor (14), einen von einem Rotor (16) des Elektromotors (14) angetriebenes, eine Rotation in eine lineare Bewegung transformierendes Transformationsgetriebe (17) und eine Sensoreinrichtung (4) zur Erfassung eines Betätigungswegs (s) einer von dem Transformationsgetriebe (17) verlagerten, ein Reibmoment der Kupplung (2) abhängig von dem Betätigungsweg (s) einstellenden Tellerfeder (13) enthält, wobei unter Berücksichtigung der Übersetzung des Transformationsgetriebes (17) ein Drehwinkel über mehrere Umdrehungen des Rotors (16) mittels zumindest eines einzelne Inkremente eines an dem Rotor (16) angeordneten Magnetrings (5) mit einer vorgegebenen Anzahl über den Umfang angeordneter Polpaare erfassenden Hallsensors (23, 24) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer absoluten Wegposition (s_abs) des Betätigungswegs (s) nach dem Verlust mehrerer Inkremente an einem aktuell erfassten Drehwinkel des Rotors (16) eine Systeminformation des Kupplungssystems (1) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Systeminformation eine Kupplungskennlinie der Kupplung (2) über den Betätigungsweg (s) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungskennlinie abhängig von einem Verschleiß der Kupplung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungskennlinie in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute Wegposition (s_abs) ausschließlich bei konstanter Drehzahl des Rotors (16) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Systeminformation eine von der Kupplungskennlinie der Kupplung (2) abhängige aktuelle elektrische Größe des Elektromotors (14) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verlust einer Mehrzahl von Inkrementen der Elektromotor (14) kurzfristig abgeschaltet wird und die aktuelle absolute Wegposition aus dem sich nach der Abschaltung ergebenden Trägheitsmoment des Kupplungssystems (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute Wegposition bei konstanter Drehzahl des Rotors (16) oder in einer Beschleunigungsphase des Rotors (16) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung des Trägheitsmoments in zumindest einem Intervall zwischen einer Abschaltposition des Elektromotors und zumindest einer zeitlich auf diese folgende Wegposition des Betätigungswegs vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Abschaltposition eine Ableitung nach der Zeit ausgewertet wird.