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Die Erfindung betrifft eine Motorwellenanordnung für eine Brennkraftmaschine, mit einer Motorwelle, insbesondere einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle, und einem Erfassungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vorliegend weist das Erfassungssystem auf: einen ersten Resolver, einen zum ersten Resolver in einem Sensorabstand entlang einer Wellenachse der Motorwelle axial beabstandet angeordneten zweiten Resolver, eine Winkelberechnungseinheit, ein Wandlersystem für den ersten Resolver und für den zweiten Resolver. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 10.
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US 2004/0016306 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Drehmomenterfassung speziell für eine Lenksäule mit einem elastischen Teil zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle einer drehmomentübertragenden Vorrichtung, mit einem ersten und einem zweiten Resolver zum Bestimmen der Verdrehwinkel nur des elastischen Teils an den Seiten der Eingangswelle und der Ausgangswelle.
US 2013/0261886 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Drehmomenterfassung ebenfalls speziell für eine Lenksäule mit einer Resolvereinheit mit einem ersten Resolver und einem zweiten Resolver, wobei das Drehmoment über nur die Verformung eines Torsionsstabs bestimmt wird.
DE 10 2012 007 360 A1 offenbart einen Drehmomentsensor und speziell ein Hilfskraftlenkungssystem mit einer Drehwelle mit einer ersten Welle und einer zweiten Welle, die miteinander durch einen Torsionsstab verbunden sind und sich relativ zueinander innerhalb eines relativen Drehwinkelbereichs nur aufgrund des Torsionsstabs verdrehen können, mit einem ersten Resolver mit einem ersten Resolverrotor und mit einem zweiten Resolver mit einem zweiten Resolverrotor.
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Unabhängig davon sind Brennkraftmaschinen, nämlich solche mit Erfassungssystemen zum Bestimmen einer Drehposition einer rotierbaren Motorwelle, sind allgemein bekannt.
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Die
WO 2007/012555 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem mit einem Erfassungssystem der eingangs genannten Art eine erste Drehkenngröße an einem ersten Ort längs einer Welle des Verbrennungsmotors gemessen wird und unter Verwendung der ersten Drehkenngröße zylinderindividuelle Drehkenngrößen bestimmt werden, wobei eine zweite Drehkenngröße an einem zweiten Ort längs der Welle gemessen wird und die zylinderindividuellen Drehkenngrößen unter Verwendung der ersten Drehkenngröße und der zweiten Drehkenngröße bestimmt werden.
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EP 2 673 594 B1 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen eines Verdrehwinkels einer Welle und/oder eines an der Welle auftretenden Drehmoments, bei dem die Welle von wenigstens einem ersten Sensor in Umfangsrichtung abgetastet wird, der ein Ausgangssignal bereitstellt, das von der Inhomogenität des metallischen Wellenmaterials beeinflusst ist, bei dem die Welle in einem vorgegebenen Abstand zum ersten Sensor von wenigstens einem zweiten Sensor in Umfangsrichtung abgetastet wird, der ein Ausgangssignal bereitstellt, das ebenfalls von der Inhomogenität des metallischen Wellenmaterials beeinflusst ist.
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Der in
EP 2 673 594 B1 beschriebene Ansatz ist dadurch gekennzeichnet, dass als erster und zweiter Sensor jeweils ein induktiver Sensor vorgesehen ist, dass das Ausgangssignal des ersten induktiven Sensors mit einem ersten Referenzmuster verglichen wird, dass das Ausgangssignal des zweiten induktiven Sensors mit einem zweiten Referenzmuster verglichen wird, dass die beiden Referenzmuster zuvor bei einer Referenzdrehung der Welle ermittelt werden, die sich über einen vorgegebenen Winkelbereich erstreckt, dass aus dem Vergleich des Ausgangssignals des ersten induktiven Sensors mit dem ersten Referenzmuster ein erster Drehwinkel und aus dem Vergleich des Ausgangssignals des zweiten induktiven Sensors mit dem zweiten Referenzmuster ein zweiter Drehwinkel ermittelt werden und dass die Differenz zwischen dem ersten Drehwinkel sowie dem zweiten Drehwinkel als Verdrehwinkel der Welle ermittelt und bereitgestellt wird.
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Die
WO 99/54697 gibt eine Vorrichtung zur Erfassung des auf eine drehbare Welle wirkenden Drehmoments an, bei der mit Hilfe eines einzigen Sensors zwei mit der Welle verbundene Teile abgetastet werden, die im Abstand L voneinander mit der Welle befestigt sind und so ausgestaltet sind, dass die an ihrer Oberfläche befindlichen Winkelmarken mit Hilfe des einzigen Sensors abtastbar sind. Aus dem vom Sensor gelieferten Ausgangssignal wird ein Rechtecksignal bzw. ein Digitalsignal gebildet, dessen Verhältnis von Pulslänge High zur Gesamtpulslänge (Low + High) (also der sogenannte Duty-Cycle) verglichen wird mit dem Duty-Cycle bei unbelasteter Welle. Die Duty-Cycle Änderung gegenüber der unbelasteten Welle ist proportional zum Drehmoment und wird zur Ermittlung des Drehmoments ausgewertet. Die Vorrichtung zur Messung des Drehmoments kann zusätzlich auch zur Drehzahlerfassung verwendet werden.
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Derartige Konzepte zur Erfassung der Drehposition einer Motorwelle sind noch verbesserungswürdig, insbesondere hinsichtlich einer genauen Messung der Drehposition, vorzugsweise unter einem vergleichsweise geringen bzw. umsatzgeeigneten apparativen Aufwand. Wünschenswert ist es daher, eine Motorwellenanordnung anzugeben, bei der die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise beseitigt werden.
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An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, in verbesserter Weise eine Motorwellenanordnung anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise beseitigt. Insbesondere soll eine genaue Messung der Drehposition der Motorwelle unter einem gleichwohl vergleichsweise geringen bzw. umsatzgeeigneten apparativen Aufwand ermöglicht werden.
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Die Aufgabe, betreffend die Motorwellenanordnung, wird durch die Erfindung mit einer Motorwellenanordnung des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung geht aus von einer Motorwellenanordnung für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Motorwelle, insbesondere einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle, und einem Erfassungssystem, wobei das Erfassungssystem aufweist: einen ersten Resolver, einen zum ersten Resolver in einem Sensorabstand entlang einer Wellenachse axial beabstandet angeordneten zweiten Resolver, eine Winkelberechnungseinheit, ein Wandlersystem für den ersten Resolver und für den zweiten Resolver.
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Erfindungsgemäß ist bei der Motorwelle vorgesehen, dass die Winkelberechnungseinheit ausgebildet ist zum Bestimmen einer ersten Drehposition der Motorwelle am ersten Resolver auf Basis eines ersten Resolverausgangssignals und einer zweiten Drehposition der Motorwelle am zweiten Resolver auf Basis eines zweiten Resolverausgangsignals, und das Wandlersystem ausgebildet ist, den ersten Resolver und den zweiten Resolver durch ein zeitsynchrones Erregersignal zeitsynchron zu erregen.
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Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf eine Brennkraftmaschine des Anspruchs 10 mit einer Anzahl an Zylindern und einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die Vorteile der Motorwellenanordnung vorteilhaft genutzt.
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Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung beruht auf der Tatsache, dass eine genaue Bestimmung der Drehposition einer Motorwelle von großer Bedeutung ist, insbesondere zur Bestimmung eines auf die Motorwelle wirkenden Drehmoments oder als Eingangsgröße für die Motorsteuerung. Die Erfindung hat dabei erkannt, dass Resolver, die insbesondere bei Elektromotoren eingesetzt werden, auch bei Brennkraftmaschinen als Sensoren zur Bestimmung der Drehposition einer Motorwelle eingesetzt werden können und dort vorteilhaft sind, verglichen mit anderen, insbesondere auf Zahn-/oder Lochrädern basierenden Sensorkonzepten.
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Indem die Winkelberechnungseinheit ausgebildet ist zum Bestimmen einer ersten Drehposition der Motorwelle am ersten Resolver auf Basis eines ersten Resolverausgangssignals und einer zweiten Drehposition der Motorwelle am zweiten Resolver auf Basis eines zweiten Resolverausgangsignals, kann an zwei Axialpositionen, das heißt an zwei Stellen entlang einer Wellenachse der Motorwelle, die jeweilige Drehposition bestimmt werden.
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Weiter hat die Erfindung erkannt, dass eine Anzahl von Resolvern, insbesondere zwei Resolver, in geeigneter Anordnung, die synchron erregt und insbesondere synchron ausgelesen werden, eine hochgenaue Messung ermöglicht. Durch einen solchen synchronen Betrieb der Anzahl von Resolvern werden die Resolverausgangssignale, insbesondere die beiden Resolverausgangssignale der zwei Resolver, zum selben Zeitpunkt ausgewertet und somit wird der Fehler aufgrund zeitlicher Ungenauigkeiten, insbesondere aufgrund eines zeitlichen Jitters, wie er zum Beispiel bei einer nicht synchronisierten Standardverschaltung von Resolvern oder beim Einsatz von Lochrädern auftreten kann, vermieden.
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Dadurch, dass der erste Resolver und der zweite Resolver durch ein zeitsynchrones Erregersignal zeitsynchron erregt werden, wird ein gleichzeitiges Messen der beiden Drehpositionen ermöglicht, wodurch eine Bestimmung der beiden Drehpositionen am exakt selben Zeitpunkt erfolgt. Dies ist von großer Bedeutung, da sich die Motorwelle im Betrieb der Brennkraftmaschine dreht, und somit ein unbestimmbarer zeitlicher Bezug zwischen zwei konventionellen Messungen gemäß dem Stand der Technik an jeweils einer Drehposition dazu führen würde, dass sich die Motorwelle zwischen diesen beiden Messungen in einem nicht bestimmbaren Maß weitergedreht hätte.
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Mit einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung wird aufgrund des synchronen Messens an zwei Stellen im Sinne einer Momentaufnahme die Drehposition an diesen zwei Stellen am exakt selben Zeitpunkt bestimmt. Ein solches hochgenaues Messen ermöglicht vorteilhaft die Bestimmung von weiteren Betriebsparametern der Motorwelle und des zugehörigen Motors, die über die bloße Drehposition an der Stelle des Resolvers hinausgehen. Zu diesen Betriebsparametern können insbesondere eine oder mehrere Drehpositionen an weiteren Axialpositionen der Motorwelle oder ein aus mindestens zwei Drehpositionen ermitteltes Drehmoment, das auf die Motorwelle wirkt, zählen.
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Vorzugsweise kann das Wandlersystem eine erste Wandlereinheit für den ersten Resolver und eine zweite Wandlereinheit für den zweiten Resolver aufweisen. Zusätzlich oder alternativ ist vorteilhaft vorgesehen, dass sowohl die erste Wandlereinheit als auch die zweite Wandlereinheit, mit dem zeitsynchronen, insbesondere gemeinsamen, Erregersignal gespeist werden derart, dass eine zeitsynchrone Abtastung des ersten Resolverausgangsignals und des zweiten Resolverausgangsignals erfolgt. Vorzugsweise kann das Wandlersystem einen Generator aufweisen, zum Bereitstellen des zeitsynchronen Erregersignals als ein dem ersten Resolver und dem zweiten Resolver gemeinsames Erregersignal. Die Erfindung wird durch einen Generator zum Bereitstellen des gemeinsamen Erregersignals weitergebildet. Konkret kann dies beinhalten, dass das Erfassungssystem einen Generator aufweist, der ein gemeinsames Erregersignal, insbesondere ein Rechtecksignal, zum synchronen Erregen bereitstellt. Auf diese Weise können sämtliche gemäß dem Konzept der Erfindung synchron zu betreibende Komponenten, insbesondere die Resolver, von einem einzigen Generator versorgt werden.
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Diese und weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Winkelberechnungseinheit ausgebildet ist, einen Torsionswinkel zu bestimmen, um den sich die Motorwelle innerhalb des Sensorabstands um die Wellenachse verdreht. Konkret kann dies beinhalten, dass der zeitliche Versatz zwischen zwei an unterschiedlichen axialen Positionen der Motorwelle absolut gemessenen Drehpositionen genutzt wird, um den Grad der Torsion, das heißt die Verdrehung der Motorwelle um ihre Wellenachse zwischen diesen beiden axialen Positionen zu bestimmen. Für den Extremfall, dass kein Drehmoment auf die Motorwelle wirkt, sollten beide Drehpositionen stets übereinstimmen. Für den - im Betrieb normalen - Fall einer Belastung der Motorwelle durch ein Drehmoment besteht jedoch eine Abweichung zwischen beiden Drehpositionen, die sich darin äußert, dass die eine Drehposition der anderen aufgrund der Torsion vorauseilt, und somit eine zeitliche Verzögerung entsteht. Diese zeitliche Verzögerung ist die Zeit, die zwischen einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt vergeht, wobei die zweite Drehposition an einem zweiten Zeitpunkt den Wert annimmt, den die erste Drehposition zum ersten Zeitpunkt hatte.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass sowohl die erste Wandlereinheit als auch die zweite Wandlereinheit mit dem gemeinsamen Erregersignal gespeist werden, derart, dass eine zeitsynchrone Abtastung des ersten Resolverausgangsignals und des zweiten Resolverausgangsignals erfolgt. Dies kann konkret beinhalten, dass beide Wandlereinheiten über denselben Generator, der auch die Resolver speist, mit dem gemeinsamen Erregersignal versorgt werden. Hierzu kann das Erfassungssystem eine gemeinsame Versorgungsleitung aufweisen, welche das gemeinsame Erregersignal, insbesondere im Sinne einer Bus-Topologie, vom Generator zu sämtlichen synchron zu betreibenden Komponenten, insbesondere den Resolvern und den Wandlereinheiten, leitet. Durch diesen synchronen Betrieb wird vorteilhaft eine zeitlich hochgenaue Messung ermöglicht, die selbst relativ geringe Abweichungen zwischen an verschiedenen Stellen gemessenen Zonen, insbesondere zwischen zwei an zwei Axialpositionen der Motorwelle gemessenen Drehpositionen, detektieren kann. Auf diese Weise können Verformungen der Motorwelle, insbesondere eine Torsion um die Wellenachse aufgrund eines Drehmoments, detektiert werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Torsionswinkel auf Basis eines zeitlichen Versatzes zwischen dem ersten Resolverausgangssignal und dem zweiten Resolverausgangssignal gebildet wird.
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Dies kann konkret beinhalten, dass anhand von Signalmerkmalen in den Resolverausgangssignalen, insbesondere von Signalmerkmalen im Zeitbereich der Resolverausgangssignale, ein zeitlicher Versatz zwischen der Hüllkurve des ersten und der Hüllkurve des zweiten Resolverausgangssignals und/oder ein Phasenversatz zwischen den zwei ausgewerteten Resolversignalen, bestimmt werden kann.
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Aufgrund der periodischen Natur der Resolverausgangssignale kommen für die Bestimmung des zeitlichen Versatzes und/oder eines Phasenversatzes insbesondere periodische Signalmerkmale in Frage, vorzugsweise die Nulldurchgänge der Hüllkurven, die Signalmaxima und/oder -minima oder andere periodische Signalmerkmale in Frage. Für die Bestimmung des Phasenversatzes zwischen den beiden Resolverwinkelpositionen können die Signalmaxima und/oder -minima besonders vorteilhaft verwendet werden. Für die Bestimmung des zeitlichen Versatzes zwischen den Hüllkurven können die Nulldurchgänge der Hüllkurven besonders vorteilhaft verwendet werden.
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Aufgrund der zeitlich genauen Bestimmung des Versatzes kann somit eine Verdrehung der Motorwelle bestimmt werden, alternativ durch gleichzeitige Winkelberechnung.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Torsionswinkel auf Basis eines zeitlichen Versatzes zwischen einer ersten Hüllkurve des ersten Resolverausgangsignals und einer zweiten Hüllkurve des zweiten Resolverausgangsignals gebildet wird. Dies kann konkret beinhalten, dass für jedes Resolverausgangssignal über ein geeignetes Signalverarbeitungselement eine Hüllkurve berechnet wird. Über ein geeignetes Vergleichselement kann dann die Hüllkurve eines ersten Resolverausgangssignals eines ersten Resolvers und die Hüllkurve eines zweiten Resolverausgangssignals eines zweiten Resolvers verglichen, und der zeitliche Versatz zwischen den beiden Hüllkurven bestimmt werden. Dies kann insbesondere anhand eines Vergleichs der beiden Nulldurchgänge jeder Hüllkurve geschehen. Aufgrund des zeitlichen Versatzes kann somit eine Verdrehung der Motorwelle zwischen beiden Resolvern bestimmt werden. In derartigen Weiterbildungen kann insbesondere mit relativ geringem apparativen Aufwand ein zeitlicher Versatz bestimmt werden.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Winkelberechnungseinheit einen Phasendetektor aufweist, mittels welchem ein zeitlicher Phasenversatz zwischen dem ersten Resolverausgangssignal und dem zweiten Resolverausgangssignal zum Ermitteln des Torsionswinkels bestimmt werden kann. Vorzugsweise kann die Winkelberechnungseinheit einen Phasendetektor aufweisen, mittels welchem ein zeitlicher Phasenversatz zwischen dem ersten durch einen Tiefpass geglätteten Resolverausgangssignal und dem zweiten durch einen weiteren Tiefpass geglätteten Resolverausgangssignal zum Ermitteln des Torsionswinkels bestimmt werden kann.
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Dies kann konkret beinhalten, dass ein Resolverausgangssignal eines ersten Resolvers mit einem Resolverausgangssignal eines zweiten Resolvers in einem Phasendetektor verglichen wird. Insbesondere können die Resolverausgangssignale vorher mittels eines Tiefpassfilters gefiltert werden, um Oberschwingungen herauszufiltern, die insbesondere auf das Erregersignal zurückzuführen sind. Durch ein Ausgangssignal des Phasendetektors, welches insbesondere gleichgerichtet ist, kann somit ein zeitlicher Versatz, nämlich ein Phasenversatz zwischen dem ersten und dem zweiten Resolverausgangssignal, bestimmt werden.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das gemeinsame Erregersignal ein periodisches Signal, insbesondere ein Rechtecksignal ist. Es können jedoch auch andere periodische Signalformen eingesetzt werden. Generell gilt, dass je höher die Frequenz des Signals ist, desto höher ist auch die zeitliche Auflösung und somit die Genauigkeit des Messsystems.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Sensorabstand genau oder mit einer Abweichung von maximal 10 % einer Wellenlänge der Motorwelle entspricht. Es zeigt sich, dass je länger der Sensorabstand ist, desto genauer die Messung ist. Grundsätzlich kann eine Messung aber auch in einem kürzeren Sensorabstand erfolgen. Vorteilhaft sollte die Messung auf der Lastseite erfolgen. Es kann somit besonders vorteilhaft ein möglichst großer Bereich der Motorwelle erfasst werden und die Verformung in diesem Bereich bestimmt werden. Insbesondere für den Fall, dass der Sensorabstand bei einer Messung mit einer Abweichung unter 10 % einer Wellenlänge der Motorwelle erfolgt --die beiden Resolver generell enger zueinander gesetzt werden-- dann die Messungenauigkeit zunehmen. Dann und generell ist es vorteilhaft die Messung auf der Lastseite anzuordnen.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Wandlereinheit einen ersten x-Wandler und einen ersten y-Wandler und die zweite Wandlereinheit einen zweiten x-Wandler und einen zweiten y-Wandler aufweist. In derartigen Weiterbildungen kann vorteilhaft eine separate Abtastung und Auswertung einzelner Spulen des Resolver erfolgen. Hierdurch kann insbesondere die Genauigkeit der Messung erhöht werden.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Winkelberechnungseinheit ausgebildet ist, einen Teiltorsionswinkel zu bestimmen, um den sich die Motorwelle innerhalb eines Teilabstands um die Wellenachse verdreht. Ein Vorteil bei dieser Weiterbildung ist, dass anhand der beiden Resolver die Drehposition an beiden Enden der Motorwelle, insbesondere einer Lastseite und einer Freiseite, bekannt ist. Erfolgt nun bei Last eine Verformung, das heißt Verdrehung der Motorwelle, so erfolgt diese verteilt über die Motorwelle. In Weiterbildungen kann in einer Näherung davon ausgegangen werden, dass jeder Bereich der Motorwelle in gleichem Maße verdreht ist. In anderen Weiterbildungen kann aber auch eine genauere Berechnung erfolgen, insbesondere auf Basis unterschiedlicher an verschiedenen Bereichen der Motorwelle vorherrschenden Torsionsmomenten, Torsionsträgheitsmomenten und Schubmodulen. Dadurch, dass die Drehposition der Motorwelle für jede Axialposition auf der Motorwelle bestimmt werden kann, kann insbesondere bei einer Kurbelwelle die momentane Position der Kolben bestimmt und somit die Einspritzung zeitlich genauer gesteuert werden.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung,
- 2 eine weiter bevorzugte Ausführungsform einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung,
- 3 eine Weiterbildung einer Verarbeitungseinheit,
- 4 eine weitere Weiterbildung einer Verarbeitungseinheit,
- 5 eine Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Motorwellenanordnung 100 gemäß dem Konzept der Erfindung für eine hier nicht dargestellte Brennkraftmaschine 1000. Die Motorwelle 120 weist eine Länge LW auf, erstreckt sich entlang einer Wellenachse WA und ist vorliegend in Form einer Kurbelwelle 121 mit vier Kurbelabschnitten K1, K2, K3, K4 gebildet. Gleichwohl ist es selbstverständlich denkbar, dass eine andere Anzahl von Kurbelabschnitten, entsprechend der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine, beispielsweise 16 Kurbelabschnitte für 16 Zylinder beim Reihenmotor oder 8 Kurbelabschnitte für 16 Zylinder beim V-Motor, vorhanden ist. Die Kurbelwelle 121 ist dabei stark vereinfacht dargestellt.
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Die Motorwellenanordnung 100 weist eine Erfassungsvorrichtung 140 auf, wobei die Erfassungsvorrichtung 140 einen ersten Resolver R1 und einen zweiten Resolver R2 aufweist. Auf einer Lastseite SL der Motorwelle 120 ist der erste Resolver R1 und auf einer Freiseite SF der Motorwelle 120, in einem Sensorabstand SA entlang der Wellenachse WA beabstandet, ist der zweite Resolver R2 angeordnet. Ein Generator 150 stellt ein gemeinsames Erregersignal SE in Form eines Rechtecksignals SER bereit, mittels welchem gemäß dem Konzept der Erfindung über eine gemeinsame Versorgungsleitung 152 sowohl der erste Resolver R1 als auch der zweite Resolver R2 in synchroner Weise gespeist wird.
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Die Resolver R1, R2 sind vorliegend als rotorerregte Resolver ausgebildet. Gleichwohl ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die Resolver als statorerregte Resolver auszubilden.
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Die Erfassungsvorrichtung 140 weist für den ersten Resolver R1 eine erste Wandlereinheit 161 mit einem ersten X-Wandler 161.1 und einem ersten Y-Wandler 161.2 auf, die beide ebenfalls über die gemeinsame Versorgungsleitung 152 mit dem gemeinsamen Erregersignal SE versorgt werden. Der erste X-Wandler 161.1 stellt für eine erste X-Statorspule R1X ein erstes X-Resolvereingangssignal RES1X bereit. Weiterhin nimmt der erste X-Wandler 161.1 von der ersten X-Statorspule R1X ein erstes X-Resolverausgangssignal RAS1X auf, welches insbesondere einem analogen Spannungssignal entspricht, und wandelt dies in ein digitales erstes X-Wandlerausgangssignal W1X um.
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Der erste Y-Wandler 161.2 stellt für eine erste Y-Statorspule R1Y ein erstes Y-Resolvereingangssignal RES1Y bereit. Weiterhin nimmt der erste Y-Wandler 161.2 von der ersten Y-Statorspule R1Y ein erstes Y-Resolverausgangssignal RAS1Y auf, welches insbesondere einem analogen Spannungssignal entspricht, und wandelt dies in ein digitales erstes Y-Wandlerausgangssignal W1Y um.
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Die Erfassungsvorrichtung 140 weist weiter für den zweiten Resolver R2 eine zweite Wandlereinheit 162 mit einem zweiten X-Wandler 162.1 und einem zweiten Y-Wandler 162.2 auf, die beide ebenfalls über die gemeinsame Versorgungsleitung 152 mit dem gemeinsamen Erregersignal SE versorgt werden. Der zweite X-Wandler 162.1 stellt für eine zweite X-Statorspule R2X ein zweites X-Resolvereingangssignal RES2X bereit. Weiterhin nimmt der zweite X-Wandler 162.1 von der zweiten X-Statorspule R2X ein zweiten X-Resolverausgangssignal RAS2X auf, welches insbesondere einem analogen Spannungssignal entspricht, und wandelt dies in ein digitales zweites X-Wandlerausgangssignal W2X um.
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Der zweite Y-Wandler 162.2 stellt für eine zweite Y-Statorspule R2Y ein zweites Y-Resolvereingangssignal RES2Y bereit. Weiterhin nimmt der zweite Y-Wandler 162.2 von der zweiten Y-Statorspule R2Y ein zweites Y-Resolverausgangssignal RAS2Y auf, welches insbesondere einem analogen Spannungssignal entspricht, und wandelt dies in ein digitales zweites Y-Wandlerausgangssignal W2Y um.
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Der erste Resolver R1 weist weiterhin eine sich mit der Motorwelle 100 drehende erste Rotorspule R1R auf, und der zweite Resolver R2 weist analog eine sich mit der Motorwelle 100 drehende zweite Rotorspule R2R auf.
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Im Betrieb der hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine 1000 rotiert die Motorwelle 120 um die Wellenachse WA und verändert somit seine Drehposition D. Mit der Motorwelle 120 ändert in gleicher Weise die ortsfest mit der Motorwelle 120 verbundene erste Rotorspule R1R und zweite Rotorspule R2R ihre Drehposition D.
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Die beiden Rotorspulen R1R, R2R werden durch das gemeinsame Erregersignal SE synchron erregt. Durch die erregte erste Rotorspule R1R im ersten Resolver R1 wird sowohl eine Spannung in die erste X-Statorspule R1X, nämlich das erste X-Resolverausgangssignal RASIX, als auch eine Spannung in die erste Y-Statorspule R1Y, nämlich das erste Y-Resolverausgangssignal RAS1Y, induziert. Beide induzierte Spannungen, nämlich die ersten Resolverausgangssignale RAS1X, RAS1Y ändern sich in Abhängigkeit der Drehposition D der Motorwelle 120 und geben somit eine absolute Lageposition, nämlich die erste Drehposition D1 der Motorwelle 120 an der Axialposition des ersten Resolvers R1 an. Analog wird durch die erregte zweite Rotorspule R2R im zweiten Resolver R jeweils eine von der Drehposition D der Motorwelle 120 abhängige Spannung in die zweite X-Statorspule R2X und in die zweite Y-Statorspule R2Y induziert, wodurch das zweite X-Resolverausgangssignal RAS2X und das zweite Y-Resolverausgangssignal RAS2Y erzeugt wird. Beide induzierte Spannungen, nämlich die zweiten Resolverausgangssignale RAS2X, RAS2Y, ändern sich in Abhängigkeit der Drehposition D der Motorwelle 120 und geben somit eine absolute Lageposition, nämlich die zweite Drehposition D2 der Motorwelle 120 an der Axialposition des zweiten Resolvers R2 an.
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Die ersten X-Wandlerausgangssignale W1X und W1Y werden in eine Winkelberechnungseinheit 160 geleitet, wo die erste Drehposition D1 rechnerisch aus den ersten X-Wandlerausgangssignalen W1X und W1Y bestimmt wird. Analog werden die zweiten X-Wandlerausgangssignale W2X und W2Y in die Winkelberechnungseinheit 160 geleitet, wo die zweite Drehposition D2 rechnerisch aus den zweiten X-Wandlerausgangssignalen W2X und W2Y bestimmt wird.
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Weiterhin ist die Winkelberechnungseinheit 160 ausgebildet, auf Basis der ersten Drehposition D1 und der zweiten Drehposition D2 weitere Größen zu bestimmen. Hierzu gehören insbesondere ein Torsionswinkel T, um den sich die Motorwelle 120 innerhalb des Sensorabstands SA um die Wellenachse WA verdreht. Dieser kann auf Basis der Abweichung zwischen der ersten Drehposition D1 und der zweiten Drehposition D2 bestimmt werden, was vorteilhaft durch die genaue Messung durch die synchronisierten Resolver R1, R2 gemäß dem Konzept der Erfindung ermöglicht wird.
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Weiterhin kann ein Teiltorsionswinkel TT bestimmt werden, um den sich die Motorwelle 120 innerhalb eines Teilabstands TA um die Wellenachse WA verdreht, das heißt tordiert. Für die Berechnung des Teiltorsionswinkels TT wird insbesondere ein modellhaftes Verformungsverhalten der Motorwelle 120 zugrunde gelegt, mittels dem auf Basis der gesamten Abweichung zwischen der ersten Drehposition D1 und der zweiten Drehposition D2, und einer interpolierten Teildrehposition DT an einer zwischen dem ersten Resolver R1 und dem zweiten Resolver R2 liegenden Wellenposition WP, nämlich einer Teilwellenposition WPT, der Teiltorsionswinkel TT bestimmt wird. Der Teilabstand TA liegt somit zwischen dem ersten Resolver R1 und der Teilwellenposition WPT.
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Somit kann - beispielsweise bei einer Kurbelwelle
121 - die Position eines einzelnen Zylinders
Z, der zwischen einem ersten Resolver
R1 und einem zweiten Resolver
R2 auf der Kurbelwelle
121 im Teilabstand
TA zum ersten Resolver
R1 liegt, wie folgt bestimmt werden:
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Oder in Kurzform:
Genauer lasst sich die Lage der einzelnen Kolben mit folgendem Ansatz berechnen:
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Dabei ist TT(Z) der Teiltorsionswinkel, das heißt der Verdrehwinkel der Motorwelle 120 am Zylinder Z, MT das auf die Motorwelle wirkende Torsionsmoment, TA der Teilabstand der Motorwelle, für den der Verdrehwinkel TT(Z) bestimmt wird, G das Schubmodul und IT das Torsionsträgheitsmoment.
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Der Torsionswinkel der gesamten Motorwelle ergibt sich entsprechend aus:
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Dabei ist N die Anzahl der auf der Kurbelwelle gleichverteilt angeordneten Kolben und SA der Sensorabstand zwischen den beiden Resolvern R1, R2.
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Durch die Messung des (Gesamt-) Torsionswinkels T durch die Resolver R1, R2 kann das auf die Motorwelle 120 wirkende Torsionsmoment MT berechnet werden. Auf Basis des Torsionsmoment MT kann wiederum die Verdrehung der Motorwelle an der Stelle eines Zylinders Z berechnet werden.
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2 zeigt weiter eine generelle Möglichkeit für Ausführungsformen, eine Abweichung zwischen zwei Drehpositionen D1, D2 an zwei Stellen auf einer Motorwelle 120' anhand zeitlicher Eigenschaften der Resolverausgangssignale RAS1, RAS2, insbesondere einem zeitlichen Versatz zwischen einem ersten Resolverausgangssignal RAS1 und einem zweiten Resolverausgangssignal RAS2, zu bestimmen. Der Einfachheit halber sind vorliegend pro Resolver nur ein Resolverausgangssignal RAS1, RAS2 dargestellt. Die Erfassungsvorrichtung 140 weist zur Erfassung einer ersten Drehposition D1 und einer zweiten Drehposition D2 analog zu den 1 gezeigten Weiterbildung zwei von einem Generator 150' synchron erregte Resolver R1, R2 auf, die an einer als Kurbelwelle 121 ausgebildeten Motorwelle 120 angeordnet sind. Das erste Resolverausgangssignal RAS1 wird dabei von einer ersten Wandlereinheit 161', und das zweite Resolverausgangssignal RAS2 von einer zweiten Wandlereinheit 162' abgetastet. Die erste Wandlereinheit 161' stellt dabei einer Winkelberechnungseinheit 160' ein erstes Wandlersignal W1 zur Verfügung. Analog stellt die zweite Wandlereinheit 162' der Winkelberechnungseinheit 160' ein zweites Wandlersignal W2 zur Verfügung. Weitere Ausführungsformen einer als Verarbeitungseinheit 142 bezeichneten, Winkelberechnungseinheit 160' sowie Wandlereinheiten 161' ,162' umfassenden Anordnung werden in den folgenden 3 und 4 vorgestellt.
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In 3 ist eine Verarbeitungseinheit 142' dargestellt, bei der die erste Wandlereinheit 161'' ein erstes Hüllkurvenbestimmungsmodul 164.1 und die zweite Wandlereinheit 162'' ein zweites Hüllkurvenbestimmungsmodul 164.2 aufweist. Generell sind Nulldurchgänge eines induzierten Signals abhängig vom Erregersignal und eher nicht von einer Wellenposition. Der Nulldurchgang kann somit vor allem bei der Hüllkurve aus Wandlereinheit 161'', 162'' bestimmt werden und weniger beim induzierten Signal. Dies kann konkret derart genutzt werden, dass anhand von Signalmerkmalen in den Resolverausgangssignalen, insbesondere von Signalmerkmalen im Zeitbereich der Resolverausgangssignale, ein zeitlicher Versatz zwischen der Hüllkurve des ersten und der Hüllkurve des zweiten Resolverausgangssignals und/oder ein Phasenversatz zwischen den zwei ausgewerteten Resolversignalen, bestimmt werden kann.
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Aufgrund der periodischen Natur der Resolverausgangssignale kommen für die Bestimmung des zeitlichen Versatzes und/oder eines Phasenversatzes insbesondere periodische Signalmerkmale in Frage, vorzugsweise die Nulldurchgänge der Hüllkurven, die Signalmaxima und/oder -minima oder andere periodische Signalmerkmale in Frage. Für die Bestimmung des Phasenversatzes zwischen den beiden Resolverwinkelpositionen können die Signalmaxima und/oder -minima besonders vorteilhaft verwendet werden. Für die Bestimmung des zeitlichen Versatzes zwischen den Hüllkurven können die Nulldurchgänge der Hüllkurven besonders vorteilhaft verwendet werden.
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Die Hüllkurvenbestimmungsmodule 164.1, 164.2 können beispielsweise jeweils einen Tiefpassfilter 166.1, 166.2 zum Ausfiltern der höherfrequenten Signalanteile aufweisen, sodass eine Hüllkurve der Resolverausgangssignale RAS1, RAS2 erzeugt wird. Vorzugsweise kann die Winkelberechnungseinheit einen Phasendetektor aufweisen, mittels welchem ein zeitlicher Phasenversatz zwischen dem ersten durch einen Tiefpass geglätteten Resolverausgangssignal und dem zweiten durch einen weiteren Tiefpass geglätteten Resolverausgangssignal zum Ermitteln des Torsionswinkels bestimmt werden kann. Die erste Wandlereinheit 161'' wandelt somit das erste Resolverausgangssignal RAS1 mittels des ersten Hüllkurvenbestimmungsmoduls 164.1 in ein erstes als Hüllkurvensignal ausgebildetes Wandlerausgangssignal W1' um. Die zweite Wandlereinheit 162'' wandelt entsprechend das zweite Resolverausgangssignal RAS2 mittels des zweiten Hüllkurvenbestimmungsmoduls 164.2 in ein zweites als Hüllkurvensignal ausgebildetes Wandlerausgangssignal W2' um.
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Sowohl das erste Wandlerausgangssignal W1' als auch das zweite Wandlerausgangssignal W2' werden an eine Winkelberechnungseinheit 160'' geleitet, die ausgebildet ist, insbesondere mittels eines Vergleichers, einen zeitlichen Hüllkurvenversatz DZH zwischen einem Nulldurchgang des ersten als Hüllkurve ausgebildeten Resolverausgangssignals RAS1 und einem Nulldurchgang des zweiten als Hüllkurve ausgebildeten Resolverausgangssignals RAS2 zu bestimmen. Anhand dieses zeitlichen Hüllkurvenversatzes DZH kann - in analoger Weise zu der in 1 gezeigten Weiterbildung - ein Torsionswinkel T der Motorwelle 120 bestimmt werden. Vorteilhaft bei der gezeigten Weiterbildung ist der relativ geringe apparative Aufwand.
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In 4 ist eine weitere Weiterbildung einer Verarbeitungseinheit 142'' dargestellt. Eine erste Wandlereinheit 161''' tastet das erste Resolverausgangssignal RAS1 ab. Die erste Wandlereinheit 161''' weist einen ersten Tiefpassfilter 166.1 auf, um höherfrequente Signalanteile, insbesondere durch das gemeinsame Erregersignal SE hervorgerufene Oberschwingungen, aus dem Resolverausgangssignal RAS1 herauszufiltern. Entsprechend weist die zweite Wandlereinheit 162''' einen zweiten Tiefpassfilter 166.2 auf. Die Wandlereinheiten 161''', 162''' stellen jeweils ein gefiltertes Wandlerausgangssignal W1'', W2'' einer Winkelberechnungseinheit 160'' bereit. Die Winkelberechnungseinheit 160'' weist einen Phasendetektor 168 auf, mittels dessen ein zeitlicher Versatz DZ in Form eines Phasenversatzes DZP zwischen dem ersten Wandlerausgangssignal W1'' und dem zweiten Wandlerausgangssignal W2'' bestimmt werden kann. Insbesondere kann der Phasenversatz DZP als gleichgerichtetes Signal, dessen Länge dem zeitlichen Versatz entspricht, vom Phasendetektor ausgegeben werden. Anhand des Phasenversatzes DZP kann - in analoger Weise zu den in 1 und 2 gezeigten Weiterbildungen - ein Torsionswinkel T der Motorwelle 120 bestimmt werden.
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In 5 ist stark schematisch eine Brennkraftmaschine 1000 mit einer Anzahl von acht Zylindern Z dargestellt, die einen Motorwellenanordnung 100 gemäß dem Konzept der Erfindung aufweist. Die Motorwellenanordnung 100 weist ein Erfassungssystem 140 auf, von dem vorliegend ein erster Resolver R1 und ein zweiter Resolver R2 gezeigt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Motorwellenanordnung
- 120
- Motorwelle
- 121
- Kurbelwelle
- 122
- Nockenwelle
- 140
- Erfassungssystem
- 142, 142'
- Verarbeitungseinheit
- 150, 150'
- Generator
- 152
- Gemeinsame Versorgungsleitung
- 160, 160', 160'', 160'''
- Winkelberechnungseinheit
- 161, 161', 161'', 161'''
- Erste Wandlereinheit
- 161.1
- Erster X-Wandler
- 161.2
- Erster Y-Wandler
- 162, 162', 162'',162'''
- Zweite Wandlereinheit
- 162.1
- Zweiter X-Wandler
- 162.2
- Zweiter Y-Wandler
- 164.1
- Erstes Hüllkurvenbestimmungsmodul
- 164.2
- Zweites Hüllkurvenbestimmungsmodul
- 166.1
- Erster Tiefpassfilter
- 166.2
- Zweiter Tiefpassfilter
- 168
- Phasendetektor
- 1000
- Brennkraftmaschine
- D
- Drehposition der Motorwelle
- D1
- Erste Drehposition
- D2
- Zweite Drehposition
- DZ
- Zeitlicher Versatz zwischen dem ersten Resolverausgangssignal und dem zweiten Resolverausgangssignal
- DZH
- Zeitlicher Hüllkurvenversatz, zeitlicher Versatz zwischen erster und zweiter Hüllkurve
- DZP
- Zeitlicher Phasenversatz zwischen dem ersten Resolverausgangssignal und dem zweiten Resolverausgangssignal
- G
- Schubmodul
- H1
- Erste Hüllkurve, Hüllkurve des ersten Resolverausgangssignals
- H2
- Zweite Hüllkurve, Hüllkurve des zweiten Resolverausgangssignals
- IT
- Torsionsträgheitsmoment
- LW
- Länge der Motorwelle
- MT
- Torsionsmoment
- R1
- Erster Resolver
- R1R
- Erste Rotorspule
- R1X
- Erste X-Statorspule
- R1Y
- Erste Y-Statorspule
- R2
- Zweiter Resolver
- R2R
- Zweite Rotorspule
- R2X
- Zweite X-Statorspule
- R2Y
- Zweite Y-Statorspule
- RAS1
- Erstes Resolverausgangssignal
- RAS2
- Zweites Resolverausgangssignal
- RES1
- Erstes Resolvereingangssignal
- RES2
- Zweites Resolvereingangssignal
- SA
- Sensorabstand
- SE
- Gemeinsames Erregersignal
- SF
- Freiseite
- SL
- Lastseite
- T
- Torsionswinkel
- TA
- Teilabstand
- TT
- Teiltorsionswinkel, Verdrehwinkel
- W1X
- Erstes X-Wandlerausgangssignal
- W1Y
- Erstes Y-Wandlerausgangssignal
- W2X
- Zweites X-Wandlerausgangssignal
- W2Y
- Zweites Y-Wandlerausgangssignal
- WA
- Wellenachse
- WP
- Wellenposition
- WPT
- Teilwellenposition
- Z
- Zylinder
- RAS1X
- Erstes X-Resolverausgangssignal
- RAS1Y
- Zweites Y-Resolverausgangssignal
- RAS2X
- Erstes X-Resolverausgangssignal
- RAS2Y
- Zweites Y-Resolverausgangssignal
- K1, K2, K3, K4
- Kurbelabschnitte
- SER
- Rechteckiges Erregersignal
- DT
- Teildrehposition
- W1, W1', W1''
- Erstes Wandlersignal
- W2, W2', W2''
- Zweites Wandlersignal
