DE102018217107B4

DE102018217107B4 - Verfahren zur Bestimmung eines Polradwinkels einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102018217107B4
Application number: DE102018217107.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fischer; Jonathan Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2038-10-06
Also published as: CN111007274B; DE102018217107A1; CN111007274A

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Polradwinkels (9) einer elektrischen Maschine (110), umfassend einen Rotor und einen Stator, die mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine direkt oder übersetzt gekoppelt ist, wobei der elektrischen Maschine (110) eine Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltung (120) und eine Batterie (140) nachgeschaltet sind, wobei wenigstens ein Signal der elektrischen Maschine (110) jeweils ein oder mehrere charakteristische Werte aufweisen, die jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors auftreten, dadurch gekennzeichnet, dasseine Referenzkennlinie (214) einen Verlauf eines Referenzpolradwinkels (ϑ) in Abhängigkeit von einer Zeitdifferenz (Δt) zwischen zwei charakteristischen Werten des wenigstens einen Signals bei einem Referenzspannungswert (U) der Batteriespannung beschreibt,ein aktueller Wert des Polradwinkels (9) in Abhängigkeit von der Referenzkennlinie (214), von einem aktuellen Spannungswert der Batteriespannung (U) und von einer aktuellen Zeitdifferenz (Δt) zwischen den zwei charakteristischen Werten des wenigstens einen Signals bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Polradwinkels einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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 ATV (engl. All Terrain Vehicle), 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.
Eine Nutzung der elektrischen Ausgangsgrößen einer über die Kurbelwelle angetriebenen elektrischen Maschine (Generator) wird beispielsweise in der DE 10 2014 206 173 A1 zur Drehzahlbestimmung verwendet. Zu diesem Zweck werden ein oder mehrere Signale der elektrischen Maschine ausgewertet, die jeweils ein oder mehrere Werte aufweisen, die jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors der elektrischen Maschine auftreten. Durch Berechnen einer Zeitdifferenz zwischen zwei Auftrittszeitpunkten von Werten wird die Drehzahl berechnet.
Ferner werden in der DE 10 2016 221 459 A1 , der EP 2 775 267 A1 , der DE 100 36 869 A1 und der DE 101 16 814 A1 offenbart, derartige elektrische Ausgangsgrößen zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu verwenden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zur Bestimmung eines Polradwinkels einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die elektrische Maschine ist mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine direkt oder übersetzt gekoppelt und umfasst ferner einen Rotor und einen Stator. Der elektrischen Maschine sind eine Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltung und eine Batterie nachgeschaltet.
Mit Hilfe der Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltung kann eine mehrphasige Ausgangsspannung der elektrischen Maschine gleichgerichtet und zur Versorgung bzw. zum Laden der Batterie bereitgestellt und geregelt werden. Zweckmäßigerweise ist auch ein Spannungsregler zum Regeln der Bordnetzspannung, d.h. der Ausgangsspannung des Gleichrichters, vorgesehen.
Wenigstens ein Signal der elektrischen Maschine weist jeweils ein oder mehrere charakteristische Werte auf, die jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors auftreten. Insbesondere kann ein derartiges Signal ein Drehzahlsignal der elektrischen Maschine oder eine Ausgangsspannung am Ausgang der elektrischen Maschine sein. Derartige charakteristische Werte können insbesondere Flanken oder Nulldurchgänge des entsprechenden Signals sein.
Eine Referenzkennlinie beschreibet einen Verlauf eines Referenzpolradwinkels in Abhängigkeit von einer Zeitdifferenz zwischen zwei charakteristischen Werten des wenigstens einen Signals bei einem Referenzspannungswert der Batteriespannung. Ein aktueller Wert des Polradwinkels wird in Abhängigkeit von der Referenzkennlinie, von einem aktuellen Spannungswert der Batteriespannung, insbesondere von einer Differenz des aktuellen Spannungswert und des Referenzspannungswerts, und von einer aktuellen Zeitdifferenz zwischen den zwei charakteristischen Werten des wenigstens einen Signals bestimmt. Als die Zeitdifferenz Δt kann insbesondere eine sog. Flankenzeit bestimmt werden, also die Zeitdifferenz zwischen zwei Flanken bzw. Nulldurchgängen des entsprechenden Signals, insbesondere zwischen zwei Flanken bzw. Nulldurchgängen der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine.
Bei einer unbelasteten elektrischen Maschine ist die exakte Drehwinkellage des Rotors direkt aus der Leerlaufspannung der elektrischen Maschine ablesbar, da die relative Phasenlage der Leerlaufspannung mit der Drehwinkellage des Rotors übereinstimmt. Diese Relation gilt jedoch für eine belastete elektrische Maschine nicht, da es aufgrund des Stromflusses zu einer Verschiebung der Phasenlage kommt und entsprechend die Ausgangsspannung der elektrischen Maschine, die der Phasenspannung zumindest einer Phase der elektrischen Maschine entspricht, nicht mehr mit der Drehwinkellage des Rotors übereinstimmt. Dieser Versatz der Winkellage zwischen der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine und der tatsächlichen Winkellage des Rotors der elektrischen Maschine wird gemeinhin als Polradwinkel bezeichnet.
Der Polradwinkel ist im Allgemeinen von dem Wert der Batteriespannung abhängig, d.h. bei unterschiedlichen Batteriespannungswerten ergeben sich unterschiedliche Beziehungen zwischen dem jeweiligen Polradwinkel und der Zeitdifferenz. Sofern die Batteriespannung einen konstanten oder zumindest im Westlichen konstanten Wert aufweist, kann zur Bestimmung des Polradwinkels eine einzige Kennlinie verwendet werden, welche für diese konstante Batteriespannung einen Verlauf des Polradwinkels in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz zwischen den zwei charakteristischen Werten des Signals beschreibt. Mit Hilfe einer derartigen Kennlinie kann bei konstanter Batteriespannung der Polradwinkel abgelesen werden. Wenn die Batteriespannung hingegen variiert und nicht konstant ist, kann mit Hilfe einer einzigen Kennlinie nicht mehr ohne weiteres der Polradwinkel abgelesen werden. Zwar könnte für verschiedene Werte der Batteriespannung jeweils eine Kennlinie vorgegeben werden, welche jeweils zum Ablesen der Polradwinkels herangezogen werden kann, wenn die Batteriespannung den jeweiligen Wert annimmt. Jedoch ist hierfür eine hohe Speicherkapazität notwendig, um diese Vielzahl von Kennlinien beispielsweise als Kennfelder in einem Steuergerät zu hinterlegen.
Das vorliegende Verfahren stellt nun eine Möglichkeit bereit, um den aktuellen Polradwinkel auch bei nicht konstanter, variierender Batteriespannung aufwandsarm und präzise mit Hilfe der Referenzkennlinien zu bestimmen. Wenn die Batteriespannung von dem Referenzspannungswert abweicht, wird zweckmäßigerweise von dem Referenzpolradwinkel der Referenzkennlinie auf den aktuellen Polradwinkel bei der aktuellen Batteriespannung rückgeschlossen bzw. rückgerechnet. Somit schlägt das vorliegende Verfahren eine Möglichkeit vor, um die Referenzkennlinie in Abhängigkeit von der sich verändernden Batteriespannung zu korrigieren und um den Polradwinkel insbesondere auch im Ladezustand der Batterie mit Hilfe der korrigierten Referenzkennlinie bestimmen zu können. Für diese Korrektur der Referenzkennlinie wird zweckmäßigerweise die aktuelle Batteriespannung als Bezugsgröße verwendet, welche insbesondere zumeist ohnehin bestimmt und beispielsweise bereits für andere Funktionen in einem Steuergerät vorliegt, so dass die Bestimmung des Polradwinkels gemäß dem vorliegenden Verfahren insbesondere ohne weitere Sensoren, zugehörige Signalleitungen und Hardware-Aufwand erfolgen kann.
Vorteilhafterweise wird der aktuelle Wert 9 des Polradwinkels bestimmt in Abhängigkeit von einem Referenzwert ϑ_ref(Δt) des Referenzpolradwinkels bei der aktuellen Zeitdifferenz Δt. Zweckmäßigerweise wird dieser Referenzwert als der zu der aktuellen Zeitdifferenz gehörige Wert aus der Referenzkennlinie abgelesen. Zweckmäßigerweise wird dieser Referenzwert um einen von dem aktuellen Batteriespannungswert abhängigen Korrekturterm korrigiert, um von dem für den Referenzspannungswert gültigen Referenzwert auf den für den aktuellen Batteriespannungswert gültigen aktuellen Wert des Polradwinkels rückzuschließen. Ein derartiger Korrekturterm kann wie nachfolgend beschrieben vorzugsweise mit Hilfe eines Korrekturwerts und/oder einer Korrekturkonstanten bestimmt werden.
Bevorzugt wird der aktuelle Wert 9 des Polradwinkels bestimmt in Abhängigkeit von einem Korrekturwert m_UBat, welcher wiederum abhängig ist von einer Differenz (U_Bat-U_Bat,ref) des aktuellen Spannungswerts U_Bat der Batteriespannung und des Referenzspannungswerts U_Bat,ref. Dieser Korrekturwert wird vorzugsweise mit der aktuellen Zeitdifferenz Δt multipliziert. Dieses Produkt wird zweckmäßigerweise von dem Referenzwert ϑ_ref(Δt) des Referenzpolradwinkels subtrahiert. Vorzugsweise ergibt sich somit folgende Rechenvorschrift für den aktuellen Wert 9 des Polradwinkels: $ϑ = ϑ_{R e f} (Δ t) - m_{U B a t} (U_{B a t} - U_{B a t, r e f}) * Δ t$
Vorteilhafterweise entspricht dieser Korrekturwert m_UBat einem Gradienten einer Differenz der Referenzkennlinie und einer aktuellen Kennlinie des Polradwinkels bei dem aktuellen Spannungswert der Batteriespannung. Insbesondere ist es somit nicht notwendig für jeden möglichen Batteriespannungswert eine jeweilige Kennlinie zu hinterlegen, sondern es genügen zweckmäßigerweise die Steigungen der Differenzen derartiger Kennlinien und der Referenzkennlinie, wodurch erheblicher Speicherplatz eingespart werden kann. Mit Hilfe der Referenzkennlinie und diesen Steigungen kann insbesondere aus der Spannungswertdifferenz auf den aktuellen Wert des Polradwinkels rückgeschlossen werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird der aktuelle Wert des Polradwinkels bestimmt in Abhängigkeit von einem Produkt aus einer Korrekturkonstanten m und einer Differenz (U_Bat-U_Bat,ref) des aktuellen Spannungswerts U_Bat der Batteriespannung und des Referenzspannungswerts U_Bat,ref. Ferner wird dieses Produkt zweckmäßigerweise mit der aktuellen Zeitdifferenz Δt multipliziert. Dieses Produkt wird wiederum zweckmäßigerweise von dem Referenzwert ϑ_ref(Δt) des Referenzpolradwinkels subtrahiert, so dass sich vorzugsweise folgende Rechenvorschrift für den aktuellen Wert 9 des Polradwinkels ergibt: $ϑ = ϑ_{R e f} (Δ t) - m * (U_{B a t} - U_{B a t, r e f}) * Δ t$
Besonders vorteilhaft entspricht der Korrekturwert m_UBat einem Produkt aus dieser Korrekturkonstanten m und der Batteriespannungsdifferenz (U_Bat-U_Bat,ref): $m_{U B a t} = m * (U_{B a t} - U_{B a t, r e f})$
Der Korrekturwert m_UBat kann somit insbesondere als eine lineare Funktion der Spannungsdifferenz ausgedrückt werden. In diesem Fall kann nochmals erheblich an Speicherkapazität eingespart werden, da nicht eine Vielzahl von Korrekturwerten zu hinterlegen ist, sondern insbesondere nur die Korrekturkonstante m, aus welcher zusammen mit der aktuellen Batteriespannungsdifferenz der aktuelle Korrekturwert berechnet werden kann. Somit ist zur Bestimmung des aktuellen Polradwinkels insbesondere nur die Referenzkennlinie sowie die Korrekturkonstante m zu hinterlegen.
Der von der Batteriespannungsdifferenz abhängige Korrekturwert bzw. die Korrekturkonstante m können beispielsweise im Zuge einer Konfigurationsphase bestimmt und zweckmäßigerweise in einem Steuergerät hinterlegt werden, beispielsweise in einem Motorsteuergerät, welches zum Steuern bzw. Regeln der elektrischen Maschine und/oder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Diese Konfigurationsphase kann beispielsweise im Zuge eines Herstellungsprozesses durchgeführt werden, bevor die elektrische Maschine bzw. die Brennkraftmaschine in Betrieb genommen werden.
Vorteilhafterweise wird der Korrekturwert bestimmt, indem eine Vielzahl von Kennlinien des Polradwinkels für unterschiedliche Spannungswerte der Batteriespannung bestimmt wird. Diese Kennlinien werden jeweils für einen bestimmten Wert der Batteriespannung als Verlauf des Polradwinkels in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz zwischen den zwei charakteristischen Werten des Signals bestimmt. Diese Vielzahl von Kennlinien kann insbesondere messtechnisch bestimmt werden, beispielsweise anhand von Messdaten, wobei für verschiedene Batteriespannungen jeweils der Polradwinkel über einen vorgegebenen Drehzahlbereich bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Vielzahl von Kennlinien auch durch Simulationen bzw. theoretische Modelle bestimmt werden, beispielsweise indem für ausgewählte Batteriespannungswerte die zugehörigen Polradwinkelverläufe messtechnisch ermittelt werden und indem aus diesen Messungen ein Simulationsmodell extrahiert wird, mit welchem weitere Kennlinien für weitere Spannungswerte ermittelt werden.
Für die Vielzahl von Kennlinien wird vorzugsweise jeweils eine Differenzkennlinie Δϑ als Differenz der jeweiligen Kennlinie und der Referenzkennlinie bestimmt. Ein Gradient dieser somit bestimmten Vielzahl von Differenzkennlinien wird jeweils als Korrekturwert m_UBat(U_Bat-U_Bat,ref) für die Differenz des jeweiligen Spannungswerts der Batteriespannung und des Referenzspannungswerts U_Bat,ref bestimmt. Somit wird für jede der bestimmten Kennlinien und somit für jeden der entsprechenden Spannungswerte jeweils ein entsprechender Korrekturwert m_UBat(U_Bat-U_Bat,ref) bestimmt. Insbesondere ergeben sich diese Differenzkennlinien Δϑ jeweils als lineare Funktionen oder können zumindest als lineare Funktionen angenähert werden, so dass die Steigung dieser Differenzkennlinien Δ9 jeweils als Korrekturwert m_UBat(U_Bat-U_Bat,ref) bestimmt oder zumindest angenähert werden kann.
Vorzugsweise wird die Korrekturkonstante m bestimmt, indem die bestimmten Korrekturwerte m_UBat (U_Bat-U_Bat,ref) aufgetragen werden gegen die Differenz (U_Bat-U_Bat,ref) des jeweiligen Spannungswerts der Batteriespannung und des Referenzspannungswerts U_Bat,ref der Batteriespannung. Ein Gradient der sich somit ergebenden Kurve wird vorteilhaferweise als die Korrekturkonstante m bestimmt. Wie obig erläutert, besteht insbesondere eine lineare oder zumindest im Wesentlichen lineare Beziehung zwischen den Korrekturwerten m_UBat(U_Bat-U_Bat,ref) und den jeweiligen Spannungsdifferenzen (U_Bat-U_Bat,ref), so dass der Gradient bzw. die Steigung dieser linearen Funktion als Korrekturkonstante m bestimmt oder zumindest angenähert werden kann.
Wie obig erläutert, können diese Schritte zum Bestimmen des Korrekturwerts bzw. der Korrekturkonstanten insbesondere im Zuge einer Konfigurationsphase, insbesondere im Zuge eines Herstellungsprozesses der elektrischen Maschine bzw. des Systems aus elektrischer Maschine und Brennkraftmaschine durchgeführt werden und die bestimmten Werte können in einem Steuergerät hinterlegt werden, um dort für den späteren regulären Betrieb der elektrischen Maschine zur Verfügung stehen. Zum Bestimmen der Korrekturkonstante m wird somit insbesondere eine Vielzahl verschiedener Kennlinien zu einem einmaligen Zeitpunkt während der Konfigurationsphase bestimmt und ausgewertet, um dabei die Korrekturkonstante m als für die Korrektur der Referenzkennlinie benötigte Informationen herauszukristallisieren.
Bevorzugt ist der Referenzspannungswert ein häufig auftretender Spannungswert der Batteriespannung, insbesondere ein am häufigsten auftretender Spannungswert. Somit liegen die aktuellen Spannungswerte zumeist insbesondere sehr nah an dem Referenzspannungswert, was Abweichungen und Fehler bei der Bestimmung des aktuellen Polradwinkels aus der Referenzkennlinie minimiert. Zweckmäßigerweise können die Batteriespannung bzw. die auftretenden Spannungswerte statistisch ausgewertet werden. Vorzugsweise wird als Referenzspannungswert ein Sollwert der Batteriespannung verwendet, vorzugsweise der Sollwert, auf welchen der Spannungsregler die Batteriespannung einregeln soll. Alternativ kann vorzugsweise ein statistischer Erwartungswert des Spannungswerts als Referenzspannungswert bestimmt werden, welcher mit hoher Wahrscheinlichkeit am häufigsten auftritt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Polradwinkels eine Drehwinkelposition der Kurbelwelle bestimmt. Aufgrund der festen Kopplung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und des Rotors der elektrischen Maschine kann bei Kenntnis der Drehwinkellage des Rotors auf die Drehwinkelposition der Kurbelwelle rückgeschlossen werden. Somit kann durch eine Bestimmung des Polradwinkels und der Phasenspannung einer Phase bzw. der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine eine Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle mit verbesserter Genauigkeit und somit höherer Güte bereitgestellt werden. Folglich lässt sich direkt aus den internen Signalen der elektrischen Maschine, eine hochaufgelöste Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle bereitstellen, wodurch auf ein entsprechendes Geberrad zur Ermittlung der Drehwinkelposition bzw. der Drehzahl und der hiermit verbundenen Sensorik verzichtet werden kann. Hierdurch können Kosten eingespart werden, was insbesondere in Bezug auf günstigere Mopeds bzw. Leichtkrafträder von Vorteil ist. Zudem können die Steuerfunktionen, wie z. B. die Positionsberechnung der Einspritzung, Momentenberechnung bzw. Lernfunktionen zum genauen Bestimmen der OT-Lage und dergleichen, deutlich verbessert werden.
Sofern die elektrische Maschine nicht starr, sondern beispielsweise über einen mit Schlupf behafteten Riemen mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wird die Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle vorteilhafterweise in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Polradwinkels und ferner in Abhängigkeit von diesem Schlupf des Riemens durchgeführt. Zur Ermittlung des Schlupfs müssen die Drehzahlen beider Wellen, Generator- und Kurbelwelle, bekannt sein. Eine Möglichkeit hierfür kann die Verwendung eines Nockenwellen-Positions-/Drehzahlsensor sein, mit dessen Signal eine Referenz zur Schlupfbestimmung zur Verfügung steht. Alternativ oder zusätzlich zu den Informationen des Nockenwellensensors kann der Generator zur Ergänzung weiterer Positions- und Drehzahlinformationen verwendet und so insbesondere auf einen Kurbelwellensensor verzichtet werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere 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 z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein System aus einer elektrischen Maschine, einer Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltung, einer Batterie und einer Recheneinheit, das einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zugrunde liegen kann.
2 zeigt schematisch eine Vielzahl von Kennlinien des Polradwinkels für eine Vielzahl von Spannungswerten, wie sie im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden können.
3 zeigt schematisch eine Vielzahl von Differenzkennlinien für eine Vielzahl von Spannungswerten, wie sie im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden können.
4 zeigt schematisch einen Verlauf von Korrekturwerten aufgetragen gegen die Differenz des Spannungswerts der Batteriespannung und des Referenzspannungswerts, der im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann.
5 zeigt schematisch eine Vielzahl von Verläufen von Polradwinkelwerten, wie sie im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden können.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein System 100 aus einer elektrischen Maschine 110, einer Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltung 120, einer Batterie 140 und einer Recheneinheit 150, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, dargestellt.
Die elektrische Maschine 110 ist insbesondere als ein Generator in einem Kraftfahrzeug ausgebildet, z.B. als Drehstromlichtmaschine oder als sog. Startergenerator, und ist mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine des Fahrzeuges gekoppelt, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht explizit dargestellt ist. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 110 als zweiphasige permanenterregte elektrische Maschine ausgebildet sein, in welcher zwei zueinander um 180° phasenverschobene Spannungssignale induziert werden. Die Batterie 140 ist insbesondere als Kraftfahrzeugbatterie ausgebildet und kann Teil eines Bordnetzes sein.
Die Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltung bzw. der Spannungsregler 120 weist eine Vielzahl von hier als Dioden 121, 122, 123, 124 ausgebildeten Schaltern auf, mittels welcher die mehrphasige Ausgangsspannung der elektrischen Maschine 110 gleichgerichtet und zur Versorgung der Kraftfahrzeugbatterie 140 bzw. des Bordnetzes bereitgestellt werden kann. Zur Regelung der Bordnetzspannung ist hier ein (einfacher) Regler vorgesehen, welcher zwei weitere Dioden 125, 126 und einen hier als MOSFET ausgebildeten Schalter 130 aufweist, mittels welchem ein Kurzschluss der Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltung 120 erzeugt werden kann.
Eine Ausgangsspannung an einem Ausgang der elektrischen Maschine ist in 1 mit U_out bezeichnet. Spannungsabfälle an den einzelnen Dioden bzw. an dem MOSFET 130 sind mit U_Diode bzw. mit U_Mosfet bezeichnet. Die Spannung der Batterie 140 ist mit Ubat bezeichnet.
Die Recheneinheit 150 ist als ein Steuergerät ausgebildet und insbesondere zum Steuern der Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltung 120 und ferner insbesondere zum Steuern der Brennkraftmaschine vorgesehen. Das Steuergerät 150 ist ferner dazu eingerichtet, einen Polradwinkel 9 und in Abhängigkeit von dem Polradwinkel 9 eine Drehwinkelposition der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu bestimmen. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 150, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen
Zur Bestimmung des aktuellen Polradwinkels 9 wird die Ausgangsspannung U_out als wenigstens ein Signal der elektrischen Maschine 110 bestimmt, welches jeweils ein oder mehrere charakteristische Werte aufweist, die jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors auftreten. Diese charakteristischen Werte sind insbesondere Nulldurchgänge (bzw. hier steigende bzw. fallende Flanken) der Ausgangsspannung und es wird ferner jeweils eine aktuelle Zeitdifferenz Δt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Flanken der Ausgangsspannung bestimmt. Ferner wird der aktuelle Spannungswert der Batteriespannung U_Bat bestimmt.
In Abhängigkeit von diesem aktuellen Spannungswert U_Bat und von der aktuellen Zeitdifferenz Δt wird mit Hilfe einer Referenzkennlinie 214 der aktuelle Wert des Polradwinkels 9 bestimmt. Zu diesem Zweck sind diese Referenzkennlinie 214 sowie eine Korrekturkonstante m in dem Steuergerät 150 hinterlegt.
Die Referenzkennlinie 214 und die Korrekturkonstante m werden insbesondere im Zuge eines Konfigurationsphase bzw. eines Herstellungsprozesses der elektrischen Maschine 110 bestimmt, wie nachfolgend in Bezug auf die 2 bis 5 erläutert wird.
Im Zuge der Konfigurationsphase wird zunächst eine Vielzahl von Kennlinien des Polradwinkels 9 für eine Vielzahl von Spannungswerten der Batteriespannung U_Bat bestimmt, jeweils als Verlauf des Polradwinkels 9 in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz Δt zwischen zwei Flanken der Ausgangsspannung U_out.
In 2 sind derartige Kennlinien schematisch für verschiedene Batteriespannungswerte U_Bat dargestellt. Kurve 202 beschreibt beispielsweise die Kennlinien für 2V, Kurve 204 die Kennlinien für 4V, Kurve 206 die Kennlinien für 6V, Kurve 208 die Kennlinien für 8V, Kurve 210 die Kennlinien für 10V, Kurve 212 die Kennlinien für 12V, Kurve 214 die Kennlinien für 14V und Kurve 216 die Kennlinien für 16V.
Die dargestellte Zeitdifferenz Δt bzw. Flankenzeit bezieht sich auf einen Flankenabstand von 30°KW (°CA, crank angle). Beispielsweise liegt die Ladespannung einer Bleisäurebatterie, wie sie etwa bei Motorrädern häufig verwendet wird, zwischen 12,5 V und 14,5 V. Höhere Spannungen können oftmals zu Schäden an der Batterie frühen. Langfristig niedrigere Spannungen ebenfalls, da die Batterie unterladen wird. Beispielsweise während eines Anlasser-Betriebs mit entsprechend hohem Bedarf an elektrischer Energie, kann die Batteriespannung U_Bat jedoch auch tiefer (schätzungsweise 8-10V) einbrechen. Die abgebildeten Kennlinien 202, 204, 206, 208 für niedrigere Spannungen (2-8V) sind von eher untergeordneter Bedeutung, da die Batteriespannung U_Bat diese niedrigen Werte zumeist nicht erreichen kann.
Es wird nun ein häufig auftretender Spannungswert als Referenzspannungswert U_Bat,ref ausgewählt. Im Folgenden wird beispielhaft der Fall betrachtet, dass der Referenzspannungswert U_Bat,ref 14V beträgt. Ebenso ist auch denkbar, dass z.B. ein Wert von 13,5V oder 13,3V als Referenzspannungswert U_Bat,ref gewählt wird. Die Kurve 214 wird somit als Referenzkennlinie für den Referenzspannungswert U_Bat,ref von 14V ausgewählt. Für die übrigen Kennlinien 202, 204, 206, 208, 210, 212, 216 wird nun jeweils eine Differenzkennlinie als Differenz der jeweiligen Kennlinien 202, 204, 206, 208, 210, 212, 216 und der Referenzkennlinie 214 bestimmt.
In 3 ist eine Vielzahl derartiger Differenzkennlinien jeweils als Verlauf eines Differenzpolradwinkels Δϑ in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz Δt schematisch dargestellt. Kurve 316 beschreibt dabei die Differenzkennlinie bzw. die Differenz zwischen der Kennlinie 216 für den Spannungswert von 16V und der Referenzkennlinie 214 für den Referenzspannungswert U_Bat,ref 14V aus 2. Analog beschreibt Kurve 312 die Differenz der Kennlinien 212 und 214, Kurve 310 die Differenz der Kennlinien 210 und 214, Kurve 308 die Differenz der Kennlinien 208 und 214, Kurve 306 die Differenz der Kennlinien 206 und 214, Kurve 304 die Differenz der Kennlinien 204 und 214 und Kurve 302 beschreibt die Differenz der Kennlinien 202 und 214.
In den einzelnen Kurven zeigen die dargestellten Punkte jeweils tatsächlich erfasste Differenzpolradwinkelverläufe und die gestrichelten Linien jeweils eine lineare Approximation der tatsächlichen Differenzpolradwinkelverläufe. Da diese lineare Approximation sehr gut zutrifft, wird jeweils die Steigung dieser Geraden als Korrekturwert m_UBat(U_Bat-U_Bat,ref) bestimmt.
Da für alle Batteriespannungen U_Bat der Polradwinkel 9 für sehr große Drehzahlen bzw. kleine Flankenzeiten auf denselben Wert hinaus läuft, handelt es sich bei allen Approximationen der Differenzkennlinien um Ursprungsgeraden, die wie folgt beschrieben werden können: $Δ ϑ (Δ t, U B a t) = m_{U B a t} (U_{B a t} - U_{B a t, r e f}) * Δ t$
Aus dieser Berechnungsvorschrift folgt, dass der Polradwinkel 9 für eine bestimmte Batteriespannung U_Bat und Flankenzeit Δt aus der hinterlegten Referenzkennlinie 214 der Referenzbatteriespannung U_Bat,ref und dem zur Spannungsdifferenz (U_Bat-U_Bat,ref) gehörigen Gradienten m_UBat der Differenzpolradwinkelkennlinie wie folgt berechnet werden kann: $ϑ (Δ t, U_{B a t}) = ϑ_{R e f} (Δ t) - m_{U B a t} (U_{B a t} - U_{B a t, r e f}) * Δ t$
Die bestimmten Korrekturwerte bzw. Gradienten m_UBat werden nun aufgetragen gegen die Differenz (U_Bat-U_Bat,ref) des jeweiligen Spannungswerts U_Bat der Batteriespannung und des Referenzspannungswerts U_Bat,ref, wodurch sich ein Verlauf ergibt, der schematisch in 4 dargestellt ist.
Kurve 401 beruht auf tatsächlich erfassten Messwerten, Kurve 402 stellt eine lineare Approximation dieses Verlaufs 401 dar. Ein Gradient dieser linearen Approximation 402 wird als Korrekturkonstante m bestimmt: $m_{U B a t} = m * (U_{B a t} - U_{B a t, r e f})$
Wie obig erläutert, werden die Referenzkennlinie 214 sowie die Korrekturkonstante m in dem Steuergerät 150 hinterlegt, um im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine 110 den aktuellen Polradwinkel 9 zu bestimmen.
Für die Bestimmung des aktuellen Werts 9 des Polradwinkels 9 in Abhängigkeit von der aktuellen Zeitdifferenz Δt, von der Referenzkennlinie 214 bzw. dem Referenzwert ϑ_ref(Δt) des Referenzpolradwinkels ϑ_ref bei der aktuellen Zeitdifferenz Δt, von der Korrekturkonstanten m sowie von dem aktuellen Spannungswert U_Bat der Batteriespannung bzw. von der Differenz (U_Bat-U_Bat,ref) des aktuellen Spannungswerts U_Bat und des Referenzspannungswerts U_Bat,ref ergibt sich somit folgende Rechenvorschrift: $ϑ = ϑ_{R e f} (Δ t) - m * (U_{B a t} - U_{B a t, r e f}) * Δ t$
5 zeigt eine Vielzahl von Polradwinkelwerten, die gemäß obiger Rechenvorschrift bestimmt wurden. Die einzelnen Punkte der Kurve 516 beschreiben dabei Werte für den Polradwinkel 9 bei einem Spannungswert von 16V, die gemäß obiger Rechenvorschrift mit Hilfe der Referenzkennlinie 214 und der Korrekturkonstanten m abgeleitet wurden.
Analog beschreiben die Punkte 512 Werte, die für einen Spannungswert von 12V abgeleitet wurden, die Punkte 510 Werte für einen Spannungswert von 10V, die Punkte 508 Werte für einen Spannungswert von 8V, die Punkte 506 Werte für einen Spannungswert von 6V, die Punkte 504 Werte für einen Spannungswert von 4V und die Punkte 502 Werte für einen Spannungswert von 2V.
Zum Vergleiche sind analog zu 2 die Kurven bzw. die Kennlinien 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214 und 216 für die Spannungswerte 2V, 4V, 6V, 8V, 10V, 12V, 14V und 16V dargestellt. Wie zu erkennen ist, treten signifikante Abweichungen zwischen den Kennlinien 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216 und den mittels Referenzkennlinie 214 ermittelten Werten nur bei den geringen Spannungen von 4V und 2V auf, welche zumeist ohnehin nicht erreicht werden können.
Das vorliegende Verfahren stellt somit eine besonders effektive Möglichkeit dar, um den Polradwinkle präzise bestimmen zu können. Anstatt für verschiedene Batteriespannungen U_Bat ein Polradwinkelkennfeld bedaten zu müssen, genügt eine einzelne Referenzkennlinie 214 und der Gradient m.
Aus dem Polradwinkel 9 können dann im Betrieb, wie oben erläutert, die Drehwinkelposition des Rotors und damit der aktuelle Kurbelwellenwinkel bestimmt werden, die dann insbesondere zur Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet wird, wobei in Abhängigkeit von der bestimmten Drehwinkelposition beispielsweise Einspritzzeitpunkte, Zündzeitpunkte und obere Totpunkte bestimmt sowie drehzahl- und positionsbasierte Steuerfunktionen gerechnet und ausgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Polradwinkels (9) einer elektrischen Maschine (110), umfassend einen Rotor und einen Stator, die mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine direkt oder übersetzt gekoppelt ist, wobei der elektrischen Maschine (110) eine Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltung (120) und eine Batterie (140) nachgeschaltet sind, wobei wenigstens ein Signal der elektrischen Maschine (110) jeweils ein oder mehrere charakteristische Werte aufweisen, die jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzkennlinie (214) einen Verlauf eines Referenzpolradwinkels (ϑ_ref) in Abhängigkeit von einer Zeitdifferenz (Δt) zwischen zwei charakteristischen Werten des wenigstens einen Signals bei einem Referenzspannungswert (U_Bat,ref) der Batteriespannung beschreibt, ein aktueller Wert des Polradwinkels (9) in Abhängigkeit von der Referenzkennlinie (214), von einem aktuellen Spannungswert der Batteriespannung (U_Bat) und von einer aktuellen Zeitdifferenz (Δt) zwischen den zwei charakteristischen Werten des wenigstens einen Signals bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der aktuelle Wert des Polradwinkels (9) bestimmt wird in Abhängigkeit von einem Referenzwert des Referenzpolradwinkels (ϑ_ref) bei der aktuellen Zeitdifferenz (Δt).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der aktuelle Wert des Polradwinkels (9) bestimmt wird in Abhängigkeit von einem Korrekturwert (m_UBat) abhängig von einer Differenz des aktuellen Spannungswerts der Batteriespannung (U_Bat) und des Referenzspannungswerts (U_Bat,ref) der Batteriespannung, insbesondere multipliziert mit der aktuellen Zeitdifferenz (Δt).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Korrekturwert (m_UBat) einem Gradienten einer Differenz der Referenzkennlinie (214) und einer aktuellen Kennlinie (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216) des Polradwinkels (9) bei dem aktuellen Spannungswert der Batteriespannung (U_Bat) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Korrekturwert (m_UBat) bestimmt wird indem: eine Vielzahl von Kennlinien (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216) des Polradwinkels (9) für verschiedene Spannungswerte der Batteriespannung (U_Bat) bestimmt wird, für die Vielzahl von Kennlinien (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216) jeweils eine Differenzkennlinie (302, 304, 306, 308, 310, 312, 316) als Differenz der jeweiligen Kennlinie (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216) und der Referenzkennlinie (214) bestimmt wird und jeweils ein Gradient einer der Differenzkennlinien (302, 304, 306, 308, 310, 312, 316) als jeweiliger Korrekturwert (m_UBat) für die Differenz des jeweiligen Spannungswerts der Batteriespannung (U_Bat) und des Referenzspannungswerts (U_Bat,ref) der Batteriespannung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der aktuelle Wert des Polradwinkels (9) bestimmt wird in Abhängigkeit von einem Produkt aus einer Korrekturkonstanten (m) und einer Differenz des aktuellen Spannungswerts der Batteriespannung (U_Bat) und des Referenzspannungswerts (U_Bat,ref) der Batteriespannung, ferner insbesondere multipliziert mit der aktuellen Zeitdifferenz (Δt).
Verfahren nach Anspruch 5 und 6, wobei die Korrekturkonstante (m) bestimmt wird indem die bestimmten Korrekturwerte (m_UBat) aufgetragen werden gegen die Differenz des jeweiligen Spannungswerts der Batteriespannung (U_Bat) und des Referenzspannungswerts (U_Bat,ref) der Batteriespannung und ein Gradient der sich somit ergebenden Kurve (401, 402) als die Korrekturkonstante (m) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Referenzspannungswert (U_Bat,ref) ein häufig auftretender Spannungswert der Batteriespannung (U_Bat) ist, insbesondere ein am häufigsten auftretender Spannungswert, vorzugsweise ein Sollwert der Batteriespannung (U_Bat) und/oder ein statistischer Erwartungswert des Spannungswerts.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Polradwinkels (9) eine Drehwinkelposition der Kurbelwelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der bestimmten Drehwinkelposition der Kurbelwelle betrieben wird.
Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.