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Die Erfindung betrifft ein Resolver-Erfassungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für eine Welle, insbesondere zur mehrdimensionalen, insbesondere dreidimensionalen Erfassung der Bewegung der Welle, vorzugsweise einer Axialauslenkung oder sonstigen axialen Störbewegung, aufweisend: einen Resolver mit mindestens einer Resolverspule ausgebildet zum Ausgeben eines transversalen Resolversignals , und eine Verarbeitungseinheit aufweisend eine Winkelberechnungseinheit, ausgebildet zum Bestimmen eines Drehpositionssignals einer Drehposition der Welle um eine Wellenachse auf Basis des transversalen Resolversignals.
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Die Erfindung betrifft auch eine Wellenanordnung mit einer Welle und dem Resolver-Erfassungssystem sowie eine Brennkraftmaschine mit einer Anzahl an Zylindern und der Wellenanordnung.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit der Motorwellenanordnung mit einer Motorwelle und dem Resolver-Erfassungssystem zur Erfassung einer mehrdimensionalen, insbesondere dreidimensionalen, Bewegung der Motorwelle.
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WO 2015/067390 zeigt ein solches Resolver-Erfassungssystem der eingangs genannten Art zum Bestimmen eines Positionswinkels einer rotierenden Achse, die einen Resolver aufweist mit einer Erregerspule, einer ersten Detektorspule zum Generieren eines X-Signals und einer zweiten Detektorspule zum Generieren eines Y-Signals. Das Resolver-Erfassungssystem weist eine Pirmärwindung als eine dritte Statorspule auf, die zum bürstenlosen Speisen der Erregerspule eingesetzt wird. Insofern weist ein Resolver-Erfassungssystem der
WO 2015/067390 gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Resolver mit einer Zusatzspule auf. Dabei wird die Spannung der dritten Statorspule variiert, um eine Funktion des Resolvers zu prüfen.
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Wünschenswert ist es, die Funktion eines Resolver-Erfassungssystems zu verbessern, um insbesondere die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit eines Resolver-Erfassungssystems zu verbessern. Weiter ist es wünschenswert, Messfunktionen zur Umsetzung von Steuer- und Diagnosefunktionen zu ermöglichen, und dabei den apparativen Aufwand relativ gering zu halten.
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An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine verbesserte Vorrichtung und Verfahren anzugeben, bei dem mindestens einer der oben genannten Nachteile behoben wird. Insbesondere soll ein hohes Maß an Genauigkeit und Zuverlässigkeit und die Umsetzung erweiterter Steuer- und Diagnosefunktionen erreicht werden mit einem Resolver-Erfassungssystem der eingangs genannten Art.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung gelöst durch ein erfindungsgemäßes Resolver-Erfassungssystem gemäß Anspruch 1.
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Die Erfindung geht aus von einem Resolver-Erfassungssystem für eine Welle wobei das Resolver-Erfassungssystem aufweist: einen Resolver mit mindestens einer Resolverspule ausgebildet zum Ausgeben eines transversalen Resolversignals, und eine Verarbeitungseinheit aufweisend eine Winkelberechnungseinheit, ausgebildet zum Bestimmen eines Drehpositionssignals einer Drehposition der Welle um eine Wellenachse auf Basis des transversalen Resolversignals.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Resolver eine Zusatzspule aufweist, wobei die Zusatzspule ausgebildet ist zum Ausgeben eines Zusatz-Resolversignals, und die Verarbeitungseinheit weiter eine Translationsberechnungseinheit aufweist, ausgebildet zum Bestimmen einer translatorischen Auslenkung der Welle.
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Insofern betreffend die Vorrichtung führt die Erfindung auch auf eine Wellenanordnung nach Anspruch 12 mit einer Welle und einem Resolver-Erfassungssystem gemäß dem Konzept der Erfindung, d.h. zur Erfassung einer mehrdimensionalen, insbesondere dreidimensionalen, Bewegung der Welle, insbesondere führt die Erfindung auf eine Motorwellenanordnung dem Resolver-Erfassungssystem mit einer Motorwelle für eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Kurbelwelle oder mit einer Nockenwelle.
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Insofern betreffend die Vorrichtung führt die Erfindung auch auf eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 mit einer Anzahl an Zylindern und einer Wellenanordnung in Form einer Motorwellenanordnung mit einer Motorwelle und dem Resolver-Erfassungssystem gemäß dem Konzept der Erfindung für die Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Kurbelwelle oder mit einer Nockenwelle.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Messung der Drehposition einer Welle vorteilhaft mittels des Resolver-Erfassungssystem umfassend den Resolver erfolgen kann, da ein Resolver wesentliche Vorteile hinsichtlich der Genauigkeit der Messung bietet. Aufgrund dieser höheren erreichbaren Genauigkeit werden neue Anwendungen für die Steuerung und Diagnose der Brennkraftmaschine ermöglicht. Die Genauigkeit ist nämlich wesentlich höher als die bei konventionellen, insbesondere auf Lochscheiben basierenden, Messverfahren für Wellen allgemein und insbesondere Motorwellen.
Durch das Erfassen eines örtlich und zeitlich hoch aufgelösten Signals istes mit dem Resolver-Erfassungssystem bei der Wellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung insbesondere möglich, Analysen im Frequenzbereich durchzuführen, welche Aussagen über wiederholt auftretende Betriebsereignisse im Betrieb der Brennkraftmaschine zulassen. Ein solches, wiederholt auftretendes Betriebsereignis kann bei Wellen allgemein ein prozessbedingtes Betriebsereignis oder ein strukturbedingtes Ereignis, insbesondere ein Betriebszustand wie beispielsweise ein Lagerschaden an einem Wellenlager, sein.
Insbesondere aber bei Motorwellen einer Brennkraftmaschine ist es z.B. ein Zündzeitpunkt. Prozessbedingte Betriebsereignisse charakterisieren dabei insbesondere regelmäßig auftretende Phänomene wie beispielsweise Zündzeitpunkte. Strukturbedingte Betriebsereignisse charaktisieren hingegen insbesondere unregelmäßige Phänomene und Zustände, die beispielsweise durch Schäden an mechanischen Komponenten der Brennkraftmaschine, insbesondere Wälzlagern, hervorgerufen werden.
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Weiter schließt die Erfindung die Erkenntnis mit ein, dass neben der Drehbewegung weitere Mess- und Zustandsgrößen mittels eines Resolvers erfasst werden können, wenn der Resolver entsprechend eine Zusatzspule aufweist. Insbesondere wird es, wenn der Resolver eine Zusatzspule aufweist, ermöglicht, eine oder mehrere zusätzliche Bewegungen zu erfassen.
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Indem die Zusatzspule ausgebildet ist zum Ausgeben eines Zusatz-Resolversignals, kann eine Information hinsichtlich einer, insbesondere translatorischen, Auslenkung der Motorwelle, insbesondere in Richtung der Zusatzspule, abgeleitet werden. Das Ableiten einer solchen Information wird ermöglicht, indem die Verarbeitungseinheit weiter eine Translationsberechnungseinheit aufweist, die ausgebildet ist zum Bestimmen einer translatorischen Bewegung, insbesondere einer Axialbewegung, der Motorwelle wenigstens auf Basis des Zusatz-Resolversignals.
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Mit einer Motorwellenanordnung wird es vorteilhaft ermöglicht, mit einem Resolver zusätzlich oder alternativ zu der herkömmlichen Bestimmung der Drehposition der Welle, insbesondere Motorwelle, mindestens eine translatorische Auslenkung der Welle zu bestimmen. Mit der erfindungsgemäßen Wellenanordnung ist das Bestimmen der translatorischen Auslenkung der Welle selbst im Stillstand der Welle möglich, das heißt auch wenn sich die Welle nicht dreht, möglich.
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Die obige Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens auch gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 14 zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Motorwellenanordnung mit einer Motorwelle und dem Resolver-Erfassungssystem zur Erfassung einer mehrdimensionalen, insbesondere dreidimensionalen, Störbewegung auf der Motorwelle.
Das Verfahren weist vorteilhaft den Schritt auf:
- - Bestimmen eines Positionssignals der Motorwelle, insbesondere eines die Drehposition charakterisierenden Drehpositionssignals der Motorwelle, mit einer Winkelberechnungseinheit und/oder einer translatorischen Auslenkung und mit einer Translationsberechnungseinheit.
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Vorzugsweise ist bei dem Verfahren auch vorgesehen, dass
- - ein wiederholt auftretendes, insbesondere prozessbedingtes und/oder strukturbedingtes, Betriebsereignis der Brennkraftmaschine mittels dem Positionssignal, insbesondere auf Basis des Drehpositionssignals und/oder der translatorischen Auslenkung, durch das Resolver-Erfassungssystem bestimmt wird.
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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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass
- - die mindestens eine zum Ausgeben eines transversalen Resolversignals ausgebildete Resolverspule transversal zur Welle angeordnet ist, und/oder
- - die translatorische Auslenkung der Welle, insbesondere die Axialauslenkung der Welle, wenigstens auf Basis des Zusatz-Resolversignals bestimmbar ist mittels der Translationsberechnungseinheit, wobei die Zusatzspule in axialer Richtung der Welle zu der Resolverspule versetzt ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei dem Resolver-Erfassungssystem, der Resolver zwei oder drei Resolverspulen aufweist, nämlich die Zusatzspule und die mindestens eine Resolverspule. Insbesondere kann eine erste Resolverspule zur Ausgabe eines transversalen x-Resolversignals und/oder eine zweite Resolverspule zur Ausgabe eines transversalen y-Resolversignals ausgebildet sein. Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Resolver drei Resolverspulen aufweist in Form einer X-Statorspule, ausgebildet zum Ausgeben eines transversalen X-Resolversignals, einer Y-Statorspule, ausgebildet zum Ausgeben eines transversalen Y-Resolversignals und einer weiteren X-Statorspule und/oder Y-Statorspule.
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Insbesondere ist es im Rahmen einer Weiterbildung vorgesehen, dass die mindestens eine zum Ausgeben eines transversalen Resolversignals ausgebildete Resolverspule gebildet ist mit
- - einer X-Statorspule, ausgebildet zum Ausgeben eines transversalen x-Resolversignals, und/oder
- - einer Y-Statorspule, ausgebildet zum Ausgeben eines transversalen y-Resolversignals, wobei
- - dieZusatzspule zum Ausgeben des Zusatz-Resolversignals als ein z-Resolversignal ausgebildet ist, wobei die Zusatzspule in axialer Richtung der Welle zu der Resolverspule versetzt ist.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestimmen eines Drehpositionssignals wenigstens auf Basis des transversalen X-Resolversignals und des transversalen Y-Resolversignals erfolgt. In derartigen Weiterbildungen wird insbesondere, dass durch eine X-Statorspule generierte X-Resolversignal, und das durch eine Y-Statorspule generierte Y-Resolversignal zur Bestimmung des Drehpositionssignals verwendet. Das X- und das Y-Resolversignal werden dadurch gebildet, dass eine, insbesondere als Rotorspule ausgebildete, Erregerspule jeweils eine Spannung in die jeweilige Statorspule induziert.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Resolverspulen, insbesondere die Erregerspule, die X-Statorspule, und die Y-Statorspule, in einer Spulenebene angeordnet sind, wobei die Spulenebene senkrecht zur Wellenachse liegt. Diese Anordnung stellt eine hinsichtlich der Funktionsweise und einer kompakten Bauform besonders geeignete Anordnung dar. Die Bezeichnung „in einer Ebene“ bedeutet im Kontext dieser Erfindung, dass die Hauptachse der Spule, das heißt die Spulenachse, um die die Spule gewickelt ist, in dieser Ebene liegt.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zusatzspule in einer Zusatzebene angeordnet ist, wobei die Zusatzebene parallel zu der Spulenebene ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Zusatzebene axial, das heißt in Richtung der Wellenachse, zu der Spulenebene beanstandet ist. Durch diese Anordnung kann insbesondere eine translatorische Auslenkung in Z-Richtung, das heißt eine axiale Bewegung der Motorwelle entlang seiner Wellenachse, detektiert werden. Dies ist insbesondere auch der Fall, wenn sich die Motorwelle im Stillstand befindet, das heißt wenn sich die Motorwelle nicht dreht. Auch können durch eine derartige, axialversetzte Anordnung der Zusatzspule charakteristische Schwingungen, deren Amplitude einen axialen Anteil aufweist, oder die vollständig axial sind, mittels des Resolvers erfasst werden. Auf diese Weise kann die Diagnose, insbesondere die Erfassung von Lagerschäden, weiter verbessert werden, beispielsweise durch die Möglichkeit der Erfassung eines durch einen Lagerschaden an einem Wellenlager hervorgerufenenen Axialspiels der Motorwelle.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zusatzspule parallel zu wenigstens einer Resolverspule angeordnet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Zusatzspule zwar versetzt zu der wenigstens einen Resolverspule angeordnet ist, die jeweiligen Spulenachsen jedoch parallel verlaufen. Insbesondere kann die Zusatzspule axial in Richtung der Wellenachse versetzt, aber parallel zu der wenigstens einen Resolverspule angeordnet sein.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Translationsberechnungseinheit ausgebildet ist zum Bestimmen einer translatorischen Auslenkung auf Basis des transversalen xResolversignals, des transversalen y-Resolversignals und des Zusatz-Resolversignals. Dies kann insbesondere auf Basis der im Kontext von 1 und 2 beschriebenen Zusammenhänge erfolgen.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Translationsberechnungseinheit ein Winkelauswirkungsmodul aufweist zum Bestimmen einer translatorischen Auslenkung. In einer derartigen Weiterbildung kann die Richtung und/oder der Betrag einer translatorischen Auslenkung, wie in Zusammenhang mit 2 beschrieben, unter relativ geringem Aufwand bestimmt werden.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Translationsberechnungseinheit ein Sollkreismodul aufweist zum Bestimmen einer translatorischen Auslenkung. Eine derartige Weiterbildung basiert insbesondere auf einer geometrischen Auswertung der Differenz zwischen einer mittels des Resolvers gemessenen Trajektorie und einer Soll-Trajektorie.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist eine Frequenzbestimmungseinheit vorgesehen. Mittels einer Frequenzbestimmungseinheit kann das Drehpositionssignal und/oder die mindestens eine translatorische Auslenkung im Frequenzbereich analysiert werden.
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Im Rahmen einer Weiterbildung ist eine Mustererkennungseinheit vorgesehen, ausgebildet zum Bestimmen eines Betriebsereignisses, insbesondere einer charakteristischen Schwingung und/oder eines Lagerschadens, auf Basis eines Drehpositionssignals und/oder einer translatorischen Auslenkung. Auf diese Weise können insbesondere charakteristische Schwingungsmuster und/oder andere Muster erkannt, und bestimmten Betriebsereignissen zugeordnet werden. Auf diese Weise kann insbesondere mittels hinterlegten Referenzdaten eine Schadenserkennung erfolgen. Die Referenzdaten entsprechen hierbei Referenz-Resolversignalen, die bei bekannten Schadensmustern auftreten.
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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 schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung der Bestimmung eines Drehpositionssignals und einer Auslenkung einer Motorwelle auf Basis mindestens eines Resolversignals,
- 3 eine weitere Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung,
- 4 eine schematische Darstellung eines Wasserfalldiagramms,
- 5 eine beispielhafte Darstellung von zwei Resolverausgangssignalen zur Bestimmung eines Positionssignals,
- 6 eine Brennkraftmaschine.
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1 zeigt stark schematisch Resolver-Erfassungssystem 140 für eine Bewegung einer Welle, insbesondere zur mehrdimensionalen, insbesondere dreidimensionalen Erfassung der Bewegung der Welle, vorzugsweise einer Axialauslenkung oder sonstigen axialen Störbewegung der Welle. Die hier mit einer Wellenachse WA allgemein dargestellte Welle kann grundsätzlich Teil einer beliebigen Wellenanordnung sein. Insbesondere kann das Resolver-Erfassungssystem 140 mit der Welle in Form einer beispielhaften Motorwelle 120 Teil einer Motorwellenanordnung 100 sein wie sie in 3 dargestellt ist. Allgemein kann das Resolver-Erfassungssystem 140 mit einem Resolver R und mit verschiedenen möglichen Anordnungen von Zusatzspulen SK versehen sein. Eine drehbar um eine Wellenachse WA gelagerte Welle, insbesondere Motorwelle 120, wird vorliegend von einem Resolver R erfasst. Hierzu weist die Motorwelle in Anordnung 100 der 3 den Resolver R auf.
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Die Ausführungsform in 1 weist eine dargestellte beliebige Wellenanordnung mit der Welle und dem Resolver-Erfassungssystem 140 mit einer allgemein mit S bezeichneten Resolverspule auf; letzteres mit mindestens einer Resolverspule SX, SY zusätzlich zu mindestens einer Erregerspule SR. In einer bevorzugten Ausführungsform genügt eine einzige Erregerspule SRes kann, muss aber nicht (hier nur optional dargestellt) auch eine erste und zweite Erreger-Zusatzspule SR, und SK und/oder SKR vorgesehen sein. Die Wellenachse WA ist dabei entlang der Z-Achse ausgerichtet. Die mindestens eine Resolverspule SX, SY ist insofern ausgebildet zum Ausgeben eines transversalen Resolversignals. Allgemein ist die mindestens eine zum Ausgeben eines transversalen Resolversignals ausgebildete Resolverspule SX, SY transversal zur Welle angeordnet wie dies in 1 ersichtlich ist.
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Die noch zu erläuternde in 1 ersichtliche translatorische Auslenkung der Welle, insbesondere die Axialauslenkung BZ der Welle, ist wenigstens auf Basis des Zusatz-Resolversignals einer Zusatzspule SK, SKX und/oder SK, SKY bestimmbar mittels einer Translationsberechnungseinheit 170, wobei die Zusatzspule SK, SKX, SK, SKY in axialer Richtung der Welle zu der Resolverspule SX, SY versetzt ist. Dies kann analog gelten für acial zueinander versetzte Erregerspule SR und Erreger-Zusatzspule SK, SKR, muss aber nicht. Wie erläutert gilt dies in der bevorzugten Ausführungsform vor allem für die mindestens eine Resolverspule SX, SY - eine Erreger-Zusatzspule SK, SKR ist optional.
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Der Resolver R hat vorliegend also besonders bevorzugt zwei oder drei Resolverspulen S.
Im Falle von zwei Resolverspulen S ist dies bevorzugt die mindestens eine Resolverspule SX oder SY und die Zusatzspule SKX oder SKY - dies also neben der Erregerspule SR. Im Falle von drei oder mehr Resolverspulen S sind dies die Resolverspulen SX und SY und die ein oder zwei Zusatzspulen SKX und/oder SKY - dies also neben der Erregerspule SR.
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Eine erste Resolverspule SX ist somit zur Ausgabe eines transversalen x-Resolversignals RTX und/oder eine zweite Resolverspule SYzur Ausgabe eines transversalen y-Resolversignals RTY vorgesehen. Die mindestens eine zum Ausgeben eines transversalen Resolversignals RTX, RTY ausgebildete Resolverspule SX, SY ist bevorzugt gebildet mit einer X-Statorspule SX, ausgebildet zum Ausgeben eines transversalen x-Resolversignals RTX und/oder einer Y-Statorspule SY, ausgebildet zum Ausgeben eines transversalen y-Resolversignals RTY.
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Die Zusatzspule SKX, SKY ist zum Ausgeben des Zusatz-Resolversignals RKX, RKY als ein z-Resolversignal ausgebildet ist, wobei die Zusatzspule SKX, SKY in axialer Richtung der Welle zu der Resolverspule SX, SY versetzt ist - so wie dies in 2 gezeigt ist. Analog kann dies für die Resolverspule SR und Zusatzspule SKR gelten.
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Zur Erfassung einer Drehposition D, die sich über die Zeit infolge einer Drehbewegung DT der Motorwelle 120 ändert, weist der Resolver R der 2 somit auch drei Resolverspulen SX, SY, SR auf, nämlich eine X-Statorspule SX, eine Y-Statorspule SY und eine als Rotorspule ausgebildete Erregerspule SR. Die drei Resolverspulen SX, SY, SR liegen in einer Spulenebene ES, wobei die Spulenebene ES senkrecht zur Wellenachse WA, und somit parallel zur XY-Ebene angeordnet ist. Weiterhin sind in 1 drei mögliche Positionen für eine axial versetzte Zusatzspule SK, SKX, SKY, SKR gemäß dem Konzept der Erfindung dargestellt. Sämtliche drei Zusatzspulen SKX, SKY, SKR befinden sich dabei in einer axial von der Spulenebene ES versetzten, jedoch parallel zu dieser verlaufenden Zusatzebene EK. Eine axial versetzte X-Zusatzspule SKX ist dabei parallel zu der X-Statorspule SX in der Zusatzebene EK angeordnet. Auch kann, insbesondere alternativ zu der X-Zusatzspule SKX, eine Y-Zusatzspule SKY vorgesehen sein, die parallel zu der Y-Statorspule SY in der Zusatzebene EK angeordnet ist. Schließlich kann, insbesondere alternativ zu der X-Zusatzspule SKX und/oder der Y-Zusatzspule SKY, eine Zusatz-Erregerspule SKR vorgesehen sein, die parallel zu der Erregerspule SR in der Zusatzebene EK angeordnet ist. Die Zusatz-Erregerspule SKR ist wie die Erregerspule SR als Rotorspule SR ausgebildet, dreht sich also mit der Motorwelle 120 um die Wellenachse WA.
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Gemäß dem Konzept der Erfindung ist es mit dem Resolver R durch mindestens eine Zusatzspule SK, SKX, SKY, SKR möglich, neben der Drehposition D auch eine translatorische Auslenkung BX, BY, BZ der Motorwelle 120 zu erfassen. Hierbei wird eine in der Zusatzspule SK induzierte Zusatzspannung UK, UKAX, UKAY, UKAR genutzt, um zusammen mit den in mindestens einer Statorspule SX, SY induzierten Statorspannung UX, UY eine translatorische Auslenkung BX, BY, BZ zu detektieren. Insbesondere ist es mit einer einzelnen Zusatzspule bereits möglich, sämtliche drei translatorischen Auslenkungen BX, BY, BZ der Motorwelle 120 zu erfassen.
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Für den Fall, dass der Resolver R als Zusatzspule SK eine X-Zusatzspule SKX aufweist, gelten für die Bestimmung einer translatorischen Auslenkung BX, BY, BZ, in der gezeigten Motorwellenanordnung 100, insbesondere bei einer stillstehenden Motorwelle 120, folgende Zusammenhänge:
- Bei einer translatorischen Auslenkung BX der Motorwelle 120 in positive X-Richtung X, folgt eine höhere induzierte X-Statorspannung UX in der X-Statorspule SX, eine höhere induzierte Zusatzspannung UKAX in der X-Zusatzspule SKX und eine konstante induzierte Y-Statorspannung UY in der Y-Statorspule SY.
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Bei einer translatorischen Auslenkung BX der Motorwelle 120 in negative X-Richtung X, folgt eine niedrigere induzierte X-Statorspannung UX in der X-Statorspule SX, eine niedrigere induzierte Zusatzspannung UKAX in der X-Zusatzspule SKX und eine konstante induzierte Y-Statorspannung UY in der Y-Statorspule SY.
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Bei einer translatorischen Auslenkung BY der Motorwelle 120 in positive Y-Richtung Y, folgt eine höhere induzierte Y-Statorspannung UY in der Y-Statorspule SY, eine konstante induzierte X-Statorspannung UX in der X-Statorspule SX und eine konstante induzierte Zusatzspannung UKAX in der X-Zusatzspule SKX.
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Bei einer translatorischen Auslenkung BY der Motorwelle 120 in negative Y-Richtung Y, folgt eine niedrigere induzierte Y-Statorspannung UY in der Y-Statorspule SY, eine konstante induzierte X-Statorspannung UX in der X-Statorspule SX und eine konstante induzierte Zusatzspannung UKAX in der X-Zusatzspule SKX.
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Bei einer translatorischen Auslenkung BZ der Motorwelle 120 in positive Z-Richtung Z, folgt eine höhere induzierte Zusatzspannung UKAX in der X-Zusatzspule SKX, sowie eine niedrigere induzierte X-Statorspannung UX in der X-Statorspule SX und eine niedrigere induzierte Y-Statorspannung UY in der Y-Statorspule SY.
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Bei einer translatorischen Auslenkung BZ der Motorwelle 120 in negative Z-Richtung Z, folgt eine niedrigere induzierte Zusatzspannung UKAX in der X-Zusatzspule SKX, sowie eine niedrigere induzierte X-Statorspannung UX in der X-Statorspule SX und eine niedrigere induzierte Y-Statorspannung UY in der Y-Statorspule SY.
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Generell gilt also, dass sich die in einer Resolverspule SX, SY, SK induzierte Spannung erhöht, wenn sich die Erregerspule SR auf diese Resolverspule SX, SY, SK zubewegt. Entsprechend verringert sich die in einer Resolverspule SX, SY, SK induzierte Spannung, wenn sich die Erregerspule SR von dieser Resolverspule SX, SY, SK wegbewegt. Aus den hier beschriebenen induzierten Spannungen UX, UY, UK, UKX, UKY folgen, wie in im Zusammenhang mit 3 näher ausgeführt, entsprechende Resolverausgangssignale RTX, RTY, RK, RKX, RKY.
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In 2 ist schematisch eine Vorgehensweise zur Bestimmung einer translatorischen Auslenkung BX, BY, BZ beschrieben insbesondere für den Fall, dass sich die Motorwelle 120 dreht, das heißt eine Drehbewegung DT durchführt. Hierbei ist in dem gezeigten Diagramm auf der X-Achse die Amplitude der in der X-Statorspule SX induzierten X-Statorspannung UX dargestellt, und in analoger Weise auf der Y-Achse die Amplitude der in der Y-Statorspule SY induzierten Y-Statorspannung UY. Während einer Drehbewegung DT der Motorwelle 120 ergibt sich gemäß dem Funktionsprinzip eines Resolvers R eine jeweils zeitlich veränderliche Amplitude auf der X- und der Y-Achse, die derart versetzt sind, dass sich - bei einer vektoriellen Addition beider entlang ihrer jeweiligen Achse aufgetragenen Amplituden - annähernd eine kreisförmige Trajektorie TR ergibt. Diese Trajektorie TR nimmt im Idealzustand, das heißt wenn keine translatorischen Auslenkungen BX, BY, BZ vorliegen, den Verlauf einer Soll-Trajektorie TS an. Mit fortschreitender Drehbewegung DT der Motorwelle 120 bewegt sich somit ein Positionszeiger PZ, der mittels Vektoraddition aus dem X-Resolver Signal RTX und dem Y-Resolver Signal RTY gebildet wird, im Kreis, nämlich in einer Drehbewegung um den Koordinatenursprung 0, sodass - im übertragenden Sinne - der Positionszeiger PZ die Trajektorie TR nachzeichnet. Dabei entspricht jeweils eine Stellung des Positionszeigers PZ im Wesentlichen einer entsprechenden tatsächlichen Position der Erregerspule SR, die sich mit der Motorwelle 120 in der Spulenebene ES dreht. Die Erregerspule SR, und somit der Positionszeiger PZ, bewegt sich während einer Umdrehung der Motorwelle 100 durch sämtliche vier Quadranten Q1, Q2, Q3, Q4 des hier dargestellten Diagramms.
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Bei dem Vorliegen mindestens einer translatorischen Auslenkung
BX,
BY,
BZ weicht die Trajektorie
TR von der Soll-Trajektorie
TS ab, da sich die der Trajektorie
TR zugrunde liegende Amplitude mindestens eines Resolversignals
RTX,
RTY ändert. Somit weicht ein X-Resolversignal
RTX von einem Soll-X-Resolversignal
RTXS und/oder ein Y-Resolversignal
RTY von einem Soll-Y-Resolversignal
RTYS ab. Vorliegend ist in
2 beispielhaft der Fall dargestellt, dass sich die Motorwelle, und somit die Erregerspule
SR in negative X-Richtung, das heißt im Sinne der in
1 dargestellten Weiterbildung von der X-Statorspule
SX translatorisch wegbewegt. Dies hat eine Verringerung der in der X-Statorspule
SX induzierten X-Statorspannung
UX, und somit entsprechend eine Verringerung des X-Resolversignals
RTX zur Folge. Diese Abweichung resultiert, mindestens zu dem Zeitpunkt der Betrachtung, in einer von einer Kreisform abweichenden, elliptischen Form der Trajektorie
TR. Entsprechend weicht auch das als Winkel angegebene Drehpositionssignal
DS, welches vorliegend auf Basis der Resolversignale
RTX,
RTY anhand einer Tangens-Funktion berechnet werden kann. Hierbei gilt:
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Eine festgestellte Abweichung der Trajektorie
TR von der Soll-Trajektorie
TS weist somit auf eine translatorische Auslenkung
BX,
BY,
BZ hin. Die Bestimmung der Richtung der Auslenkung erfolgt über folgende Tabelle:
Tabelle 1
| Quadrant | Abweichung RTX von RTXS | Abweichung RTY von RTYS | Auswirkung auf Drehpositionssignal DS |
| Q1 | + | 0 | + |
| Q1 | - | 0 | - |
| Q1 | 0 | + | - |
| Q1 | 0 | - | + |
| Q2 | + | 0 | - |
| Q2 | - | 0 | + |
| Q2 | 0 | + | - |
| Q2 | 0 | - | + |
| Q3 | + | 0 | + |
| Q3 | - | 0 | - |
| Q3 | 0 | + | + |
| Q3 | 0 | - | - |
| Q4 | + | 0 | - |
| Q4 | - | 0 | + |
| Q4 | 0 | + | + |
| Q4 | 0 | - | - |
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Hierbei bedeutet die Bezeichnung „+“ - „vergrößert sich“, die Bezeichnung „-“ - „verringert sich“, und die Bezeichnung „0“ - „bleibt konstant“.
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Unter der Annahme, dass sich die Motorwelle
120 in Richtung der beiden Achsen X, Y translatorisch auslenkbar ist, beträgt die Auswirkung auf das Drehpositionssignal
DS - je nach Auslenkung - in erster Näherung:
Tabelle 2
| Abweichung RTX von RTXS | Abweichung RTY von RTYS | Quadrant | Auswirkung auf Drehpositionssignal DS |
| + | + | Q1 | 0 |
| + | + | Q2 | - |
| + | + | Q3 | + |
| + | + | Q4 | 0 |
| + | - | Q1 | + |
| + | - | Q2 | 0 |
| + | - | Q3 | 0 |
| + | - | Q4 | - |
| - | + | Q1 | - |
| - | + | Q2 | 0 |
| - | + | Q3 | 0 |
| - | + | Q4 | + |
| - | - | Q1 | 0 |
| - | - | Q2 | + |
| - | - | Q3 | - |
| - | - | Q4 | 0 |
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Aus der Tabelle 2 lässt sich ermitteln, wenn bekannt ist, in welcher Drehposition DS sich die Motorwelle 120 befindet (dies ist bekannt durch Nutzung der Signale im Standard-Resolvermodus), in welche Achsenrichtung sich die Motorwelle 120 translatorisch bewegt.
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Bei einer gleichbleibenden Drehgeschwindigkeit DT gilt folgendes beispielhaft unter Bezugnahme auf die ersten vier Einträge in der Tabelle 2: Bei einer positiven Abweichung von RTX und RTY bleibt im 1. Quadranten Q1 die Änderung des Drehpositionssignals DS bei der Drehung gleich, im 2. Quadranten Q2 nimmt die Änderung des Drehpositionssignals DS ab, im 3. Quadranten Q3 nimmt die Änderung des Drehpositionssignals DS zu und im 4. Quadranten Q4 ist das Drehpositionssignal DS konstant.
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Auch kann, alternativ oder zusätzlich zu der vorgestellten, auf Tabellen basierenden Methode, die translatorische Auslenkung BX, BY, BZ der Motorwelle 120 mittels einer grafischen Sollkreismethode ermittelt werden, indem die Trajektorie TR mit der Solltrajektorie TS verglichen wird. Insbesondere kann an jeder Drehposition DS eine Positionsabweichung PD bestimmt werden zwischen dem Positionszeiger PZ und einem anhand der Soll-Resolversignale RTXS, RTYS bestimmten Soll-Positionszeigers PZS.
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Die 3 zeigt eine Motorwellenanordnung 100, einer hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine 1000, gemäß dem Konzept der Erfindung. Die Motorwellenanordnung 100 weist eine Motorwelle 120 auf, die vorliegend als Kurbelwelle 121 mit vier Kurbelabschnitten K1 bis K4 ausgebildet ist. Die als Kurbelwelle 121 ausgebildete Motorwelle 120 ist mittels zwei Wellenlagern WL1, WL2 drehbar um eine Wellenachse WA gelagert.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1000 rotiert die Motorwelle 120 mit einer Drehgeschwindigkeit DT um die Wellenachse WA und kann somit verschiedene Drehpositionen D einnehmen. Die Motorwellenanordnung 100 weist weiterhin ein Resolver-Erfassungssystem 140 auf. Das Resolver-Erfassungssystem 140 weist einen Resolver R auf, der zur Bestimmung der momentanen Drehposition D der Motorwelle 120 eingesetzt werden kann.
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Der Resolver R weist eine X-Statorspule SX und eine Y-Statorspule SY auf. Weiter weist der Resolver R eine als Rotorspule ausgebildete Erregerspule SR auf. Gemäß dem Konzept der Erfindung weist der Resolver R weiter eine Zusatzspule SK auf. Gemäß der Funktionsweise eines Resolvers induziert die Erregerspule SR, in Abhängigkeit der aktuellen Position P der Motorwelle 120, und insbesondere der aktuellen Drehposition D der Motorwelle 120, eine X-Spannung UX in die X-Statorspule SX, und eine Y-Spannung UY in die Y-Statorspule SY, sowie eine Zusatzspannung UK in die Zusatzspule SK. Die Zusatzspule SK ist vorliegend als axiale X-Zusatzspule SKX ausgebildet, sodass die in die axiale X-Zusatzspule SKX induzierte Spannung eine X-Zusatzspannung UKX ist.
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Die Erregerspule SR des Resolvers R wird von einem Generator 150 versorgt, welcher neben der Erregerspule SR auch einen ersten Wandler 161X, einen zweiten Wandler 161Y und einen Zusatzwandler 161K, über eine Versorgungsleitung 152 mit einem gemeinsamen Erregersignal SE versorgt, wobei die Wandler 161X, 161Y, 161K Teil einer Verarbeitungseinheit 142 sind. Das gemeinsame Erregersignal SE hat eine periodische Signalform, insbesondere ist das Erregersignal SE als Rechtecksignal ausgebildet.
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Von der X-Statorspule SX wird die X-Spannung UX in Form eines transversalen X-Resolversignals RTX an den ersten Wandler 161X geleitet. Entsprechend wird von der Y-Statorspule SY wird die Y-Spannung UY in Form eines transversalen Y-Resolversignals RTY an den zweiten Wandler 161Y geleitet, und von der Zusatzspule SK die Zusatzspannung UK in Form eines Zusatz-Resolversignals RTK an den Zusatzwandler 161K geleitet. Da vorliegend die Zusatzspule SK als axiale X-Zusatzspule SKX ausgebildet ist und die induzierte Spannung entsprechend eine X-Zusatzspannung UKX ist, die das Zusatz-Resolversignal RTK als ein axiales X-Zusatz-Resolversignal RKX ausgebildet. Für den Fall, dass die Zusatzspule SK als eine Y-Zusatzspule SKY ausgbeildet wäre (was vorliegend nicht gezeigt ist), würde eine Y-Zusatzspannung UKY induziert und das Zusatz-Resolversignal RTK entsprechend als Y-Zusatz-Resolversignal RKY ausgebildet.
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In dem ersten Wandler 161X wird das als analoge Spannung ausgebildete transversale X-Resolversignal RTX abgetastet und in ein digitalisiertes X-Wandlerausgangssignal WX umgewandelt. Entsprechend wird in dem zweiten Wandler 161Y das als analoge Spannung ausgebildete transversale Y-Resolversignals RTY abgetastet und in ein digitalisiertes Y-Wandlerausgangssignal WY umgewandelt, und in dem Zusatzwandler 161K das als analoge Spannung ausgebildete Zusatz-Resolversignals RTK abgetastet und in ein digitalisiertes Zusatz-Wandlerausgangssignal WK umgewandelt.
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Die Verarbeitungseinheit 142 weist weiter eine Positionsbestimmungseinheit 171 auf mit einer Winkelberechnungseinheit 160 und einer Translationsberechnungseinheit 170.
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Die Winkelberechnungseinheit 160 bestimmt auf Basis des X-Wandlerausgangssignals WX und des Y-Wandlerausgangssignals WY ein Drehpositionssignal DS, welches die momentane Drehposition D der Motorwelle 120 beschreibt. Die Winkelberechnung kann insbesondere mit einem Arkustangensmodul 164 mittels einer Arkustangensfunktion ARC erfolgen.
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Die Translationsberechnungseinheit 170 ist ausgebildet, auf Basis des X-Wandlerausgangssignals WX, des Y-Wandlerausgangssignals WY und des Zusatz-Wandlerausgangssignals WK mindestens eine translatorische Auslenkung BX, BY, BZ zu bestimmen. Hierbei beschreiben eine translatorische X-Auslenkung BX und eine translatorische Y-Auslenkung BY translatorische Auslenkungen in einer Ebene senkrecht zur Wellenachse WA, insbesondere translatorische Auslenkungen in der Spulenebene ES. Eine translatorische Z-Auslenkung BZ hingegen beschreibt eine translatorische Auslenkung in Richtung der Wellenachse WA, das heißt eine axiale Bewegung der Motorwelle 120. Weiterhin können die translatorischen Auslenkungen BX, BY, BZ in einer Ausgabeeinheit 250 in geeigneter Weise, beispielsweise in Form von zeitlich gemittelten Durchschnittswerten, ziffernmäßig angezeigt oder grafisch visualisiert werden.
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Die konkrete Bestimmung der translatorischen Auslenkung BX, BY, BZ kann mittels eines Winkelauswirkungsmoduls 172 erfolgen, in der auf Basis der Abweichung von der Drehposition DS und der insbesondere der oben in Tabelle 2 festgehaltenen Zusammenhänge die Richtung und der Betrag einer translatorischen Auslenkung BX, BY, BZ bestimmt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Bestimmung der translatorischen Auslenkung BX, BY, BZ anhand eines Sollkreismoduls 174 auf Basis der im Zusammenhang mit der 2 vorgestellten Sollkreismethode erfolgen.
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Die Verarbeitungseinheit 142 weist weiter eine Frequenzbestimmungseinheit 180 auf, welche ausgebildet ist, aus dem Drehpositionssignal DS und/oder aus den translatorischen Auslenkungen BX, BY, BZ ein Frequenzspektrum SF zu bestimmen. Hierzu kann die Frequenzbestimmungseinheit 180 ein Fouriertransformationsmodul 182 aufweisen, welches mittels einer diskreten Fouriertransformation DFT, insbesondere einer Kurzzeit-diskreten Fouriertransformation DFTK, ein Frequenzspektrum SF bildet.
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Die Frequenzbestimmungseinheit 180 ist weiterhin ausgebildet, aus dem Frequenzspektrum SF eine oder mehrere Frequenzinformationen FI zu ermitteln, um die Ermittlung eines Betriebsereignisses BE zu ermöglichen.
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Die Verarbeitungseinheit 142 weist weiter eine Diskriminierungseinheit 190 auf. Diese kann ein erstes Diskriminierungsmodul 192 aufweisen, welches ausgebildet ist, eine erste Rauschüberhöhung RH1 aus einem Grundrauschen GR als Frequenzinformation FI zu ermitteln. Bei der Rauschüberhöhung RH1 kann es sich insbesondere um bestimmte Frequenzen oder Frequenzbänder im Frequenzspektrum SF handeln, welche auf prozessbedingte Phänomene im Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zündungsbedingte Phänomene, zurückzuführen sind. Insbesondere kann die Frequenz oder die Frequenzen der ersten Rauschüberhöhung RH1 aufgrund eines, insbesondere periodisch wiederkehrenden, Zündzeitpunktes ZZ eines Zylinders Z entstehen. Insbesondere kann die Rauschüberhöhung RH1 ermittelt werden, indem Frequenzbänder des Frequenzspektrums SF betrachtet werden, in denen ein erhöhter Pegel aufgrund eines periodisch wiederkehrenden, zu erwartenden Zündzeitpunktes ZZE zu erwarten ist.
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Die Diskriminierungseinheit 190 kann weiter ein zweites Diskriminierungsmodul 194 aufweisen, welches ausgebildet ist, eine zweite Rauschüberhöhung RH2 als Frequenzinformation FI zu ermitteln. Bei der zweiten Rauschüberhöhung RH2 kann es sich insbesondere um Frequenzen oder Frequenzbänder im Frequenzspektrum SF handeln, welche auf strukturbedingte Phänomene im Betrieb der Brennkraftmaschine 1000, insbesondere verschleißbedingte Phänomene, zurückzuführen sind. Insbesondere kann die Frequenz oder die Frequenzen der zweiten Rauschüberhöhung RH2 aufgrund eines Lagerschadens SL, insbesondere eines Lagerschadens SL der Wellenlager WL1, WL2, zurückzuführen sein. Ein derartiger Lagerschaden SL kann insbesondere aufgrund eines Schadens einer Lagerkomponente, beispielsweise eines Wälzkörpers oder Lagerringes entstehen, wobei dieser Schaden aufgrund der geometrischen Verhältnisse im Lager eine oder mehrere periodische Schwingungen verursacht, welche zur Erhöhung charakteristischer Frequenzen und/oder Frequenzbänder im Frequenzspektrum SF in Form eines charakteristischen Schwingungsmusters SC führen.
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Die Verarbeitungseinheit 142 weist weiter eine Mustererkennungseinheit 200 auf, die ausgebildet ist, charakteristische Formen von Frequenzinformationen FI in dem Frequenzspektrum SF und/oder der ersten Rauschüberhöhung RH1 und/oder der zweiten Rauschüberhöhung RH2 zu erkennen und einem entsprechenden Betriebsereignis BE zuzuordnen. Die Mustererkennungseinheit 200 kann ausgebildet sein, ein charakteristisches Zündmuster ZC, beispielsweise die spektrale Repräsentation eines kausalen Exponentialimpulses EKA und/oder einer Friedlander Wellenform WF in einem aufgenommenen Frequenzspektrum SF, insbesondere in einer ersten Rauschüberhöhung RH1, zu erkennen und einem entsprechenden Betriebsereignis BE, insbesondere einem Zündzeitpunkt ZZ, zuzuordnen. Anhand des zeitlichen Auftretens dieses Betriebsereignisses BE kann somit der Zündzeitpunkt ZZ bestimmt werden. Wenn das Signal stark verrauscht ist, so können auch die Oberwellen zusätzlich zur Bestimmung herangezogen werden.
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Auch kann die Mustererkennungseinheit 200 ausgebildet sein, ein charakteristisches Schwingungsmuster SC in einem aufgenommenen Frequenzspektrum SF, insbesondere in einer zweiten Rauschüberhöhung RH2, zu erkennen und einem entsprechenden Betriebsereignis BE, insbesondere einem Lagerschaden SL, zuzuordnen.
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Die Mustererkennungseinheit 200 kann in einfachen Weiterbildungen ausgebildet sein, einen Pegelvergleich für charakteristische Frequenzbänder durchzuführen, und beim Überschreiten des Pegels in einem oder mehreren festgelegten Frequenzbändern ein Vorhandensein eines bestimmten Betriebsereignisses BE zu erkennen.
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In anderen Weiterbildungen kann die Mustererkennungseinheit 200 auch ausgebildet sein, ein aufgenommenes Frequenzspektrum SF mittels anderer Mustererkennungsmethoden, insbesondere mittels eines Vergleichs des Frequenzspektrums SF mit Referenzsignalen, beispielsweise über eine Korrelation, zu bewerten, und bei einem ausreichenden Grad der Übereinstimmung das Vorhandensein eines bestimmten Betriebsereignisses BE zu erkennen. Beispielsweise kann eine Korrelationseinheit 230 mittels einer Kreuzkorrelation KK ein Differenzsignal SD aus dem gemessenen Frequenzspektrum SF und einem Referenzsignal SRE bilden. Dabei repräsentiert das Referenzsignal SRE ein bestimmtes Betriebsereignis BE. Auf diese Weise kann eine ein aufgenommenes Frequenzspektrum SF einem Betriebsereignis BE zugeordnet werden. Die Mustererkennungseinheit 200 und auch die Korrelationseinheit 230 können ausgebildet sein, verschiedene Arten von Betriebsereignissen BE zu erkennen.
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Das Resolver-Erfassungssystem 140 weist eine Darstellungseinheit 220 auf, die ausgebildet ist zum Anzeigen eines Wasserfalldiagramms DWF, wobei das Wasserfalldiagramm DWF gebildet wird, indem das Frequenzspektrum SF über eine Zeit T aufgetragen wird. Dabei kann der über die Frequenz aufgetragene Pegel P des Frequenzspektrums SF farblich kodiert sein oder es kann eine dreidimensionale Darstellung mit den Dimensionen Zeit T, Frequenz F und Pegel P gewählt werden. Auf diese Weise kann der zeitliche Verlauf des kontinuierlich oder quasikontinuierlich berechneten Frequenzspektrums SF anschaulich dargestellt werden, was insbesondere für die Diagnose, zum Beispiel für die Darstellung eines Lagerschadens SL, vorteilhaft ist. Weiterhin kann die Darstellungseinheit 220 ausgebildet sein, Betriebsereignisse BE innerhalb des Wasserfalldiagramms DWF darzustellen.
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Das Resolver-Erfassungssystem 140 weist weiter ein Zeitsteuerungsmodul 240 auf, das ausgebildet ist zur zeitlichen Steuerung der Verarbeitungseinheit 142. Insbesondere kann mittels des Zeitsteuerungsmodul 240 der Betrieb der Verarbeitungseinheit 142, oder einzelner Komponenten der Verarbeitungseinheit 142, insbesondere der Betrieb der Frequenzbestimmungseinheit 190, zeitlich getaktet gesteuert werden, insbesondere zwischen zwei Zündzeitfenstern FZ, die jeweils einen Zündzeitpunkt ZZ umgeben, die Signalverarbeitung durch die Verarbeitungseinheit 142 vollständig oder teilweise unterbrochen werden. Auf diese Weise kann in Zeiträumen, in denen keine Signalverarbeitung benötigt wird, vorteilhaft Rechenleistung eingespart werden.
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4 zeigt schematisch eine Darstellung eines Wasserfalldiagramms DWF, bei der eine Anzahl von aufgenommenen Frequenzspektren SF, von denen hier eine beispielhaft gezeigt ist, über die Zeit T in einem Diagramm aufgetragen werden. Die Freuquenzspektren SF können beispielsweise auf Basis eines Drehpositionssignals DS oder einer translatorischen Auslenkung BY, BY oder BZ berechnet worden sein. Die Darstellung des Pegels P eines Frequenzspektrums SF erfolgt vorliegend zwecks Verdeutlichung stark schematisch. In Weiterbildungen ist es denkbar und vorteilhaft, diese in unterschiedlichen Farben farblich kodiert darzustellen, wobei beispielsweise die Farbe Rot einen hohen Pegel P, und die Farbe Blau einen niedrigen Pegel P bedeutet. Auch ist es möglich, eine dreidimensionale Darstellung mit einer zusätzlichen Pegel-Achse zu wählen. Mittels eines Wasserfalldiagramms DWF ist es möglich, den zeitlichen Verlauf und die zeitliche Entwicklung der Frequenzspektren SF zu visualisieren. Dabei zeigt sich beispielsweise, dass Frequenzinformationen FI wie beispielsweise charakteristische Zündmuster ZC, die sich durch einen erhöhten Pegel an einer oder mehreren bestimmten Frequenzen F äußern, periodisch wiederkehrend sind, nämlich im Zündungstakt zu einem Zündzeitpunkt ZZ der Brennkraftmaschine 1000 oder eines Zylinders Z. Daher kann es vorteilhaft sein, die Berechnungen der Verarbeitungseinheit 142 auf ein Zündzeitfenster FZ zu beschränken, wobei das zum Zeitfenster FZ einen Zeitraum darstellt, der um den Zündzeitpunkt ZZ, oder um einen erwarteten Zündzeitpunkt ZZE, liegt.
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Weiterhin sind in der Darstellung Frequenzinformationen FI in Form von charakteristischen Schwingungsmustern SC sichtbar, welche sich in Form von Pegelerhöhungen an bestimmten Frequenzen F äußern, wobei vorliegend die Frequenzen einen anderen Wert haben als die des charakteristischen Zündmusters ZC und weiterhin deren Auftreten auch unabhängig von einem Zündzeitpunkt ZZ ist. Gemäß dem Konzept der Erfindung können insbesondere die translatorisch in Auslenkungen BX, BY, BZ herangezogen werden, um charakteristische Schwingungsmuster SC zu bestimmen. Dies ist insbesondere der Fall, weil sich charakteristische Schwingungen, beispielsweise aufgrund eines Lagerschadens SL, häufig in translatorischen periodischen Bewegungen äußern.
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In
5 ist eine beispielhafte Darstellung von zwei Resolverausgangssignalen, nämlich einem ersten Resolverausgangssignal
RTX und einem zweiten Resolverausgangssignal
RTY, zur Bestimmung eines Positionssignals
PS gezeigt. Dabei stammt das erste Resolverausgangssignal
RTX von einer hier nicht dargestellten ersten Spule
S1, und das zweite Resolverausgangssignal
RTY von einer hier nicht dargestellten zweiten Spule
S2. Gemäß der Funktionsweise eines Resolvers werden beide Resolverausgangssignale
RTX,
RTY zeitlich synchron über eine Zeit
T abgetastet. Die Synchronizität beider Resolverausgangssignale
RTX,
RTY wird insbesondere durch einen gemeinsamen Generator
150, der hier ebenfalls nicht dargestellt ist, gewährleistet. Das Positionssignal
PS wird insbesondere bestimmt, indem für das erste Resolverausgangssignal
RTX ein erster Wert HX1, und für das zweite Resolverausgangssignal
RTY ein zweiter Wert HY1 abgetastet werden aus der Grundschwingung beider Resolverausgangssignale. Minima und Maxima der Grundschwingungen beider Resolverausgangssignale
RTX,
RTY liegen dabei vorzugsweise am gleichen Punkt der Zeit
T; insbesondere liegt vorliegend das Minimum, also der zweite Wert HY1, HY2 und das Maximum, also der erste Wert HX1, HX2 der Grundschwingungen der Resolverausgangssignale RASX, RASY dabei an jeweils einem gleichen Punkt der Zeit
T. Das Positionssignal
PS kann nun in Form eines als Drehwinkel ausgebildeten Drehpositionssignals
DS mittels einer Arkustangensfunktion bestimmt werden in der Form:
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In der 5 ist beispielhaft die Bestimmung des als ein erstes Drehpositionssignal DS1 ausgebildeten Positionssignal PS zu einem ersten Zeitpunkt T1 und einem zweiten Zeitpunkt T2 dargestellt. Zum ersten Zeitpunkt T1 wird das erste Drehpositionssignal DS1 gebildet, in dem der Arkustangens des Quotienten aus dem Wert HX1 der ersten Hüllkurve HX zum ersten Zeitpunkt T1 und dem Wert HY1 der zweiten Kurve HY zum ersten Zeitpunkt T1 gebildet wird. In analoger Weise erfolgt die Bestimmung des zweiten Drehpositionssignals DS2 zu einem zweiten Zeitpunkt T2.
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In 6 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 Resolver-Erfassungssystem 140 auf, von dem vorliegend beispielhaft ein Resolver R und eine Verarbeitungseinheit 142 gezeigt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Motorwellenanordnung
- 120
- Motorwelle
- 121
- Kurbelwelle
- 122
- Nockenwelle
- 140
- Resolver-Erfassungssystem
- 142
- Verarbeitungseinheit
- 150
- Generator
- 152
- Gemeinsame Versorgungsleitung
- 160
- Winkelberechnungseinheit
- 161
- Wandlereinheit
- 161X
- X-Wandler
- 161Y
- Y-Wandler
- 161K
- Zusatzwandler
- 164
- Arkustangensmodul
- 170
- Translationsberechnungseinheit
- 171
- Positionsbestimmungseinheit
- 172
- Winkelauswirkungsmodul
- 174
- Sollkreismodul
- 180
- Frequenzbestimmungseinheit
- 182
- Fouriertransformationsmodul
- 190
- Diskriminierungseinheit
- 192
- Erstes Diskriminierungsmodul
- 194
- Zweites Diskriminierungsmodul
- 200
- Mustererkennungseinheit
- 220
- Darstellungseinheit
- 230
- Korrelationseinheit
- 240
- Zeitsteuerungsmodul
- 250
- Ausgabeeinheit
- 1000
- Brennkraftmaschine
- BE
- Betriebsereignis
- D
- Drehposition der Motorwelle
- DFT
- Diskrete Fourier-Transformation
- DFTK
- Kurzzeit-Diskrete Fourier-Transformation
- DS
- Drehpositionssignal
- DSS
- Soll-Drehpositionssignal
- DT
- Drehgeschwindigkeit der Motorwelle
- DW
- Druckwelle
- DWF
- Wasserfalldiagramm
- EK
- Zusatzebene
- EKA
- Kausaler Exponentialimpuls
- ES
- Spulenebene
- F
- Frequenz
- FI
- Frequenzinformation
- FZ
- Zündzeitfenster
- GR
- Grundrauschen
- HX
- Erste Hüllkurve
- HY
- Zweite Hüllkurve
- K1-4
- Erster bis vierter Kurbelabschnitt
- P
- Pegel, spektraler Signalpegel
- PD
- Positionsabweichung
- PS
- Positionssignal
- PZ
- Positionszeiger
- PZS
- Soll-Positionszeiger
- R
- Resolver
- RH1
- Erste Rauschüberhöhnung
- RH2
- Zweite Rauschüberhöhnung
- RK
- Zusatz-Resolversignal
- RKX
- X-Zusatz-Resolversignal
- RKY
- Y-Zusatz-Resolversignal
- RTK
- Zusatz-Resolversignal
- RTX
- Transversales X-Resolversignal
- RTXS
- Transversales Soll-X- Resolversignal
- RTY
- Transversales Y-Resolversignal
- RTYS
- Transversales Soll-Y-Resolversignal
- SC
- Charakteristisches Schwingungsmuster
- SD
- Differenzsignal
- SE
- Gemeinsames Erregersignal
- SF
- Frequenzspektrum
- SL
- Lagerschaden
- SR
- Rotorspule, Erregerspule des Resolvers
- SRE
- Referenzsignal
- SK
- Zusatzspule
- SKR
- Zusatz-Erregerspule
- SKX
- X-Zusatzspule
- SKY
- Y-Zusatzspule
- SX
- X-Statorspule
- SY
- Y-Statorspule
- T
- Zeit
- TR
- Trajektorie, Ist-Trajektorie
- TS
- Soll-Trajektorie
- UX
- X-Statorspannung
- UY
- Y-Statorspannung
- UK
- Zusatzspannung
- UKAX
- X-Zusatzspannung
- WK
- Zusatz-Wandlerausgangssignal
- WX
- X-Wandlerausgangssignal
- WY
- Y-Wandlerausgangssignal
- WA
- Wellenachse
- Z
- Zylinder
- ZB
- Betriebszustand
- ZC
- Charakteristisches Zündmuster
- ZZ
- Zündzeitpunkt
- ZZE
- Zu erwartender Zündzeitpunkt
- BX
- translatorische Auslenkung in x-Richtung
- BY
- translatorische Auslenkung in y-Richtung
- BZ
- translatorische Auslenkung in z-Richtung
- UKAY
- Y-Zusatzspannung
- UKAZ
- Z-Zusatzspannung
- WL1
- erstes Wellenlager
- WL2
- zweites Wellenlager
- ARC
- Arkustangensfunktion
- WF
- Friedlander Wellenform
- KK
- Kreuzkorrelation
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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