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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben und zur Ermittlung eines Betriebszustands eines elektromagnetischen Aktors. Die Erfindung betrifft auch eine Kupplungsanordnung mit einem Kupplungsmittel zum wahlweise mechanischen Verbinden und Trennen zweier Bauteile sowie einem elektromagnetischen Aktor zur Betätigung der Kupplung. Die Erfindung betrifft auch einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer solchen Kupplungsanordnung.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Elektromagnetische Aktoren werden eingesetzt, um Stellaufgaben zu realisieren, beispielsweise zur Betätigung von Kupplungen in Kraftfahrzeuggetrieben. Dabei ist es oftmals von großer Bedeutung die aktuelle Aktorposition (d.h. Stellposition, welche der Aktor einnimmt) für Regelstrategien oder Sicherheitskonzepte zu kennen. Darüber hinaus kann es oftmals erforderlich sein, die Temperatur des Aktors zu kennen, beispielsweise zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring). Häufig sind dazu externe Sensoren im Einsatz. Der Aufwand hierfür ist jedoch hoch. Es wird beispielsweise Bauraum benötigt, die Integration ist schwierig, eine Verkabelung muss berücksichtigt werden. Zusätzlich ist häufig die Wandlung des Sensorsignals in ein digitales Signal erforderlich. Zudem führt die Toleranzkette der beteiligten Bauteile zu Ungenauigkeiten. Durch die Nutzung sogenannter inhärenter Messeffekte innerhalb elektromagnetischer Aktoren kann auf externe Sensoren verzichtet werden.
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Methoden zur inhärenten Zustandserkennung von Elektromotoren sind bekannt. Weniger weitläufig bekannt sind Lösungen für eine Zustandserkennung bei elektromagnetischen Linearaktoren oder vergleichbaren Magnetaktoren. Bei diesen Aktoren werden zur Erfassung der Aktorposition daher meist externe Wegmesssysteme oder Annäherungssensoren eingesetzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, das Ermitteln des Betriebszutands gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen präziser und weniger aufwändig zu gestalten.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die in den Hauptansprüchen angegebenen Merkmale.
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Demnach wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors und zur Ermittlung eines Betriebszustands des Aktors vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst einen Zweipunktregler zum Betreiben des Aktors und ein Ermittlungsmittel. Das Ermittlungsmittel ist dazu ausgebildet, einen zeitlichen Verlauf eines vom Zweipunktregler ausgegebenen Ansteuerungssignals zu bestimmen. Das Ermittlungsmittel ist ferner dazu ausgebildet, ausgehend vom ermittelten zeitlichen Verlauf und einem hierauf basierend geschätzten ersten Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors einen zweiten Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors zu bestimmen.
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Es wurde nun erkannt, dass sich auf Grund der charakteristischen Regelung eines Zweipunktereglers der Betriebszustand des Aktors auch im Ansteuerungssignal selbst wiederfindet. Der zeitliche Verlauf des Aktorstroms schlägt sich nämlich im Ansteuerungssignal wieder. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zu Nutze und nimmt dementsprechend das Ansteuerungssignal des Zweipunktreglers heran, um daraus sehr einfach und genau auf den Betriebszustand des Aktors zu schließen.
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Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich insbesondere um einen elektromagnetischen Linearaktor. Der elektromagnetische Aktor kann insbesondere über zumindest oder genau eine Spule verfügen. Durch diese Spule(n) ist ein Anker des Aktors magnetisch bewegbar. Diese Bewegung ist am Aktor abgreifbar und mechanisch als Stellbewegung des Aktors nutzbar. Die Aktorposition entspricht hierbei einer Position des Ankers innerhalb des Aktors oder einer Stellposition, welche der Aktor äußerlich einnimmt. Mittels der Vorrichtung sind insbesondere eine Aktortemperatur und/oder eine Aktorposition des Aktors ermittelbar. Diese bilden dementsprechend dann den gesuchten Betriebszustand des Aktors.
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Erfindungsgemäß können Betriebszustände wie die Position eines Magnetankers und die Temperatur des Aktors mit erhöhter Genauigkeit ermittelt werden. Die Ermittlung des Betriebszustands beruht nicht nur auf statischen Interpolationstabellen oder anderen statischen Berechnungsvorschriften, sondern auch einem (ersten) Betriebszustand, der in der Vergangenheit basierend auf einem zeitlichen Verlauf eines Ansteuersignals bestimmt wurde, das vom Zweipunkteregler ausgegeben ist. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des ermittelten (zweiten) Betriebszustands gegenüber dem ersten Betriebszustand erhöht werden. Insbesondere sind die so ermittelten Betriebszustandswerte im Fall schneller Bewegungen des Magnetankers besonders genau, da dynamische Effekte wie Induktionsspannungen, die während der schnellen Ankerbewegungen auftreten, wirksam kompensiert werden.
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Der erste Betriebszustand kann der unmittelbar vor der Ermittlung des zweiten Betriebszustands ermittelte Betriebszustand sein. Dies ist jedoch keineswegs einschränkend für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Der erste Betriebszustand kann alternativ ein beliebiger, vor der Ermittlung des zweiten Betriebszustands ermittelte Betriebszustand sein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Ansteuerungssignal einen Mittelwert aus einer oberen Schaltschwelle und einer unteren Schaltschwelle des Zweipunktreglers.
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Der Mittelwert ist vorzugsweise ein arithmetischer Mittelwert. Somit ist das Ansteuerungssignal auf einfache Weise bestimmbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Ansteuerungssignal eine Periodensauer und/oder eine Schaltfrequenz des Zweipunktreglers.
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Bei der Periodendauer kann es sich um die Periode eines Pulsbreitenmodulierten Signals (PWM) handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich hierbei um die Dauer der High-Phase oder die Dauer der Low-Phase des PWM-Signals handeln. Alternativ kann der Tastgrad verwendet werden, der das Verhältnis zwischen der Dauer der High-Phase und der Dauer der Low-Phase des PWM-Signals angibt.
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Alternativ oder zusätzlich umfasst das Ansteuerungssignal einen Abstand zwischen der oberen Schaltschwelle und der unteren Schaltschwelle des Zweipunktreglers und/oder eine Versorgungsspannung des Zweipunktreglers.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Ansteuerungssignal eine Dauer einer High-Phase und/oder eine Dauer einer Low-Phase und/oder einen Tastgrad. Die High-Phase und die Low-Phase beziehen sich auf ein Ausgangssignal des Zweipunktreglers. Der Tastgrad gibt das Verhältnis der Dauer der High-Phase zur Dauer der Low-Phase an.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Ermittlungsmittel dazu ausgebildet, ausgehend vom ermittelten zeitlichen Verlauf und mehreren hierauf basierend geschätzten ersten Betriebszuständen des elektromagnetischen Aktors einen zweiten Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors zu bestimmen. Die mehreren ersten Betriebszustände können zumindest teilweise basierend auf einem zuvor ermittelten anderen Betriebszustand ermittelt sein.
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Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen elektromagnetischen Aktor mit einer Kupplungsanordnung;
- 2 ein System zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors.
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In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
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Der elektromagnetische Aktor 1 gemäß 1 dient zur Bewegung eines Kupplungsmittels 7 in einer Kupplungsanordnung 2. Der Aktor 1 weist beispielhaft eine einzige Magnetspule 3 auf sowie einen linear beweglichen Anker 4. Bei dem Aktor 1 handelt es sich also um einen Linearaktor. Die Beweglichkeit des Ankers 4 wird durch den Doppelpfeil veranschaulicht. Durch elektrische Bestromung der Spule 3 kann eine Magnetkraft auf den Anker 4 ausgeübt werden, welche den Anker 4 in Richtung der Spule 3 drängt. Eine Rückstellkraft, die gegen die Magnetkraft wirkt, kann beispielsweise durch ein Federmittel aufgebracht werden. In Abhängigkeit der Höhe der Magnetkraft und der Rückstellkraft ergibt sich dann die Position des Ankers 4 im Aktor 1.
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Ortsfest auf dem Anker 4 kann optional ein Wirbelstromring 5 angeordnet sein. Dieser besteht aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise aus einem Kupfer- oder Aluminiumwerkstoff.
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Die Spule 3 ist ortsfest in einem Gehäuse 6 angeordnet. Der Anker 4 ist in dem Gehäuse 6 zumindest linear beweglich geführt. Der Anker 4 wirkt auf das Kupplungsmittel 7, das vorliegend beispielhaft als Kupplungsmuffe ausgebildet ist. Zumindest die Linearbewegung des Ankers 4 wird somit auf das Kupplungsmittel 7 übertragen. Das Kupplungsmittel 7 wird also mit dem Anker 4 linear mitbewegt. Es kann eine Drehentkopplung zwischen Anker 4 und Kupplungsmittel 7 vorgesehen sein, welcher verhindert, dass eine Rotation des Kupplungsmittels 7 auf den Anker 4 übertragen wird.
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Das Kupplungsmittel 7 ist dazu ausgebildet, zwei Bauteile 8, 9 wahlweise mechanischen zu verbinden und zu trennen. In einer ersten Position des Kupplungsmittels 7 sind die Bauteile 8, 9 daher miteinander mechanisch gekoppelt und in einer zweiten Position des Kupplungsmittels 7 sind die Bauteile 8, 9 daher voneinander mechanisch getrennt. Die Bauteile 8, 9 sind vorliegend beispielhaft Wellen, die im getrennten Zustand relativ zueinander drehbar sind und im gekoppelten Zustand nur gemeinsam drehbar sind. Hierzu sind sie im Gehäuse 6 durch entsprechende Lagermittel 10, beispielsweise Wälzlager, drehbar gelagert. Eine Rotationsachse der Bauteile 8, 9 ist mit dem Bezugszeichen L gekennzeichnet.
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Die in 1 gezeigte Kupplungsanordnung 2 dient bevorzugt in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang, wie einem Kraftfahrzeuggetriebe, zur wahlweisen mechanischen Verbindung und Trennung zweier Wellen. Das Gehäuse 6 kann dann beispielsweise ein Getriebegehäuse sein.
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Die Position des Ankers 4 im Aktor 1 (d.h. Aktorposition) bestimmt unmittelbar die Position des Kupplungsmittels 7, also auch den Kopplungszustand der Kupplungsanordnung 2. Um feststellen zu können, welche Aktorposition gerade anliegt, können extra Sensoren eingesetzt werden. Ebenso können externe Sensoren zur Ermittlung der Aktortemperatur eingesetzt werden.
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2 zeigt ein System zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors 1, wie insbesondere desjenigen aus 1. Das System verfügt über einen Mikrocontroller 11. Außerdem ist ein analoger Zweipunkteregler 12 vorgesehen, sowie ein Brückentreiber 13. Des Weiteren ist eine Brückenschaltung 14 vorgesehen. Diese dient zur elektrischen Bestromung des Aktors 1. Der Aktor 1 ist in 2 als elektrotechnisches Ersatzschaltbild, bestehend aus einem Netzwerk ohmscher Widerstände und Induktivitäten, dargestellt. Die Elemente 11, 12, 13, 14 des Systems verfügen über entsprechende Ein- und Ausgänge, die jeweils in 2 dargestellt und bezeichnet sind.
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Der Mikrocontroller 11 weist beispielhaft zwei Module 11A, 11B auf. Diese können beispielsweise als Softwaremodule oder Hardwaremodule ausgebildet sein. Modul 11A enthält vorliegend eine überlagerte Ansteuerungslogik. Modul 11A enthält also beispielsweise Ansteuerungsfunktionen, wie insbesondere eine Funktionssoftware. Modul 11B enthält eine Sollstrombestimmung, die über einen Stromregler verfügt, eine Iststromaufbereitung sowie ein Ermittlungsmittel 11C zur Ermittlung des Betriebszustands des Aktors 1. Modul 11B enthält also beispielsweise Basisfunktionen, wie insbesondere eine Basissoftware.
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Der der Sollstrombestimmung, dem Stromregler und der Iststromaufbereitung zu Grunde liegende elektrische Strom bildet den Aktorstrom, also den dem Aktor 1 durch die Brückenschaltung 14 zugeführten elektrischen Strom. Mittels der Sollstrombestimmung mit Stromregler wird ein geforderter elektrischer Strom für den Aktor 1 (Sollstrom; Soll-Aktorstrom) bestimmt. Mittels der Iststromaufbereitung wird ein aktuell dem Aktor 1 zugeführter elektrischer Strom (Iststrom; Ist-Aktorstrom) zur Verarbeitung im Mikrocontroller 11 aufbereitet und der Sollstrombestimmung mit Stromregler sowie dem Ermittlungsmittel 11C zur Verfügung gestellt.
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Die Sollstrombestimmung mit Stromregler übergibt entsprechende Ansteuerungssignale, in 2 als „PWM-Out 1“, „PWM-Out 2“ bezeichnet, an den analogen Zweipunktregler 12. Der Zweipunktregler 12 besteht aus einer Komparatorschaltung 12A sowie einem RS-Flipflop 12B. Der Zweipunktregler 12 ist vorliegend als diskrete Hardwareschaltung aufgebaut. Alternativ kann er, eine ausreichend schnelle Abtastrate vorausgesetzt, auch als Softwaremodul, insbesondere des Mikorcontrollers 11, ausgebildet sein.
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Der Zweipunktregler 12 lässt den Aktorstrom mit Hilfe der Komparatorschaltung 12A und dem RS-Flipflop 12B zwischen definierten Stromgrenzen toggeln, also schwanken. Diese Stromgrenzen, im Detail eine untere und eine obere Stromgrenze, werden vom Mikrocontroller 11 vorgegeben. In dem Zweipunktregler 12 wird der aktuelle Aktorstrom (Ist-Aktorstrom) mit den vorgegebenen Stromgrenzen verglichen. Dazu wird der aktuelle Aktorstrom dem Zweipunktregler 12 zugeführt. Bei einer Überschreitung der oberen Grenze wird dem Aktor die Bestromung entzogen (= Strom aus), bei einer Unterschreitung der unteren Grenze wird der Aktor bestromt (= Strom ein). Das Signal für die Be- und Entstromung des Aktors wird als Ansteuersignale H1, H2 von dem Zweipunktregler 12 an den Brückentreiber 13 ausgegeben. Durch die Vorgabe der Stromgrenzen werden somit gleichzeitig ein Stromregler und eine Überstromabschaltung verwirklicht.
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Der Brückentreiber 13 bedient die Brückenschaltung 14. Mittels dieser wird der Aktor 1 entsprechend den Ansteuersignalen H1, H2 elektrisch bestromt. Dabei kann der Aktor 1 durch taktweises Anlegen einer Versorgungsspannung zeitweise bestromt (= Strom ein) und zeitweise entstromt (= Strom aus) werden. Vorliegend ist die Brückenschaltung beispielhaft als H-Brückenschaltung ausgebildet. Dementsprechend verfügt der Brückentreiber 13 über einen Treiber je Brückenzweig. Diese Treiber sind in 2 als „H1-Treiber“ und „H2-Treiber“ bezeichnet.
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Im Bereich der Brückenschaltung 14 sind außerdem Mittel vorgesehen, durch die der aktuell anliegende Aktorstrom (Ist-Aktorstrom) sowie die aktuell anliegende Versorgungsspannung des Aktors 1 gemessen oder anderweitig bestimmt werden können. In 2 sind diese Mittel als „Strommessung“ und „Messung Spannung“ bezeichnet. Der aktuelle Aktorstrom wird unter anderem dem Zweipunktregler 12, im Detail der Komparatorschaltung 12A, zugeführt, damit der Aktorstrom, wie oben beschrieben, zwischen den vorgegebenen Stromgrenzen gehalten wird.
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Durch die Vorgabe der oberen und unteren Stromgrenze ergibt sich ein vorgegebenes Stromband, in welchem sich der Aktorstrom aufhält, in dem er Aktor also betrieben wird. Bei einem solchen vorgegebenen Stromband ergibt sich eine charakteristische Dynamik des Stromauf- und Stromabbaus. In 2 ist ein solcher Stromauf- und Stromabbau beispielhaft innerhalb des Blockes der Komparatorschaltung 12A dargestellt.
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Die Information über den Betriebszustand des Aktors 1, insbesondere der Aktorposition und der Aktortemperatur, ist implizit in dieser Dynamik enthalten. Diese Dynamik findet sich durch die spezielle Regelcharakteristik des Zweipunktreglers 12 auch in dessen Ansteuerungssignalen H1, H2 wieder. Sie kann also aus der Frequenz und Einschaltdauer der Ansteuersignale H1, H2 extrahiert werden. Dem Mikrocontroller 11 wird daher zumindest eines der Ansteuersignale H1, H2 über einen Capture-Eingang zugeführt. In 2 ist dies das Ansteuerungssignal H1. Der Capture-Eingang ist in 2 als „PWM-In 1“ bezeichnet. Der Abgriff für das Ansteuersignal H1 befindet sich beispielhaft an dem jeweiligen Ausgang des RS-Flipflops 12B bzw. des Zweipunktreglers 12 (in 2 an dessen oberen Ausgang).
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Das Ansteuersignal H1 wird über den Capture-Eingang des Mikrocontrollers 11 dem Ermittlungsmittel 11C zugeführt, wobei über eine bestimmte Zeitdauer ein zeitlicher Verlauf des Ansteuersignals H1 ermittelbar ist. Außerdem wird dem Ermittlungsmittel 11C über einen weiteren Eingang des Mikrocontrollers 11 die aktuell anliegende Versorgungsspannung zugeführt. Wie oben erläutert, erhält das Ermittlungsmittel 11C außerdem von der Iststromaufbereitung des Moduls 11B den aktuell dem Aktor zugeführten elektrischen Strom (Ist-Aktorstrom).
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Zur Ermittlung des Betriebszustands anhand der eingehenden Informationen / Signale weist das Ermittlungsmittel 11C mehrere Kennfelder auf. Es ist dazu ausgebildet, den Betriebszustand des Aktors damit zu ermitteln. Konkret wird basierend auf dem zeitlichen Verlauf des Ansteuersignals H1 ein erster Betriebszustand des Aktors abgeschätzt. Basierend auf dem ersten Betriebszustand und dem zeitlichen Verlauf des Ansteuersignals wird ein zweiter Betriebszustand des Aktors schließlich ermittelt.
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Der auf diese Weise ermittelte (zweite) Betriebszustand beruht nicht ausschließlich auf einer statischen Berechnungsvorschrift, sondern vielmehr auf einer dynamischen Berechnungsvorschrift. Hierdurch können dynamische Effekte wie Induktionsspannungen, die bei schnellen Ankerbewegungen verstärkt auftreten, kompensiert werden, sodass der errechnete Betriebszustand besonders genau ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromagnetischer Aktor
- 2
- Kupplungsanordnung
- 3
- Magnetspule
- 4
- Anker
- 5
- Wirbelstromring
- 6
- Gehäuse
- 7
- Kupplungsmittel, Kupplungsmuffe
- 8
- Bauteil, Welle
- 9
- Bauteil, Welle
- 10
- Lagermittel
- 11
- Mikrocontroller
- 11A, 11B
- Modul
- 11C
- Ermittlungsmittel
- 12
- analoger Zweipunkteregler
- 12A
- Komparatorschaltung
- 12B
- RS-Flipflop
- 13
- Brückentreiber
- 14
- Brückenschaltung
- 15
- Filter
- 16
- Signalaufbereitung
- H1, H2
- Ansteuerungssignal
- L
- Rotationsachse
