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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufstarten eines Verbrennermotors bei Zweirädern.
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Stand der Technik
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1 zeigt beispielhaft einen Antriebsstrang 10 für ein Zweirad, insbesondere ein Motorrad nach Stand der Technik. Ein Verbrennungsmotor weist einen separaten Elektromotor 12 für den Motorstart und einen separaten Starter-Generator 14 auf, der elektrische Energie erzeugt, während der Verbrennungsmotor läuft. Der Starter-Generator 14 ist mit der Kurbelwelle 18 des Verbrennungsmotors verbunden. Ein Gleichstromanlasser 18 wirkt über ein zusätzliches Getriebe auf die Kurbelwelle 18, die mit dem Kettenrad 20 verbunden ist. Somit sind der Elektromotor 12 und der Starter-Generator 14 voneinander unabhängig und können unabhängig voneinander optimiert werden. Zur Kosteneinsparung kann ein integrierter Startergenerator (ISG) verwendet werden, der sowohl zum Starten als auch als Generator dient. Dabei handelt es sich typischerweise um eine permanenterregte Synchronmaschine (PMSM), die sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb einen hohen Wirkungsgrad und vernachlässigbaren Verschleiß ermöglicht. Hierbei ist, insbesondere zum Starten, aber eine Kenntnis der elektrischen Position nötig, die nahe der mechanischen Position (oder Stellung) des ISG bzw. dessen Rotors liegt. Da aus Kostengründen kein Sensor hierfür vorhanden ist, muss die Position geschätzt werden. Insbesondere bei kalten Temperaturen und wenn der Verbrenner kurz vor dem oberen Totopunkt (OT) zum Stehen gekommen war, ist ein Aufstarten schwierig bis kaum möglich.
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Im Gegensatz zu einer Vorsteuerung ist ein Stromregler bekanntermaßen wesentlich robuster, da er den Strom in der d- und q-Achse des Drehgestells auf die vorgegebenen Sollwerte einstellt. Dazu sind jedoch mindestens zwei einzelne Stromsensoren für zwei der drei Phasenströme erforderlich. Da diese Stromsensoren wesentlich preiswerter und zuverlässiger sind als ein Positionssensor, lässt sich diese Stromregelung besser im Feld realisieren. Außerdem ist bekannt, dass man die elektrische Position mit Hilfe dieser gemessenen Strominformationssignale zurückrechnen kann. Diese sogenannte sensorlose Regelung (d.h. Regelung ohne Positionssensor, aber mit Stromsensoren) erfordert jedoch eine detaillierte Kenntnis der Charakteristik der elektrischen Maschine. Daher basiert der zugrundeliegende Regelungs- und Positionsschätzungsalgorithmus auf einem mathematischen Modell des Elektromotors und die entsprechenden Parameter müssen während der Entwicklungsphase bestimmt werden. Darüber hinaus ist diese sensorlose Motorsteuerung nur möglich, wenn sich die Kurbelwelle mit ausreichender Drehzahl dreht und somit kann dieses Regelungsverfahren nicht direkt aus dem Stillstand heraus betrieben werden. In dieser Erfindung schlagen wir ein Konzept vor, das eine adaptive Vorsteuerung beinhaltet, die die Kurbelwelle auf eine Anfangsdrehzahl bringt, bei der wir an den Stromregler übergeben können. Um eine Anpassung der Vorsteuerung und des Stromreglers zu ermöglichen, verwenden wir die Informationen der beiden Stromsensoren und des Standard-Kurbelwellendrehzahlsensors, der naturgemäß nur bei höheren Drehzahlen verfügbar ist.
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Rein beispielhaft sei auf die Dokumente
US 8 749 090 B2 und
DE 10 2010 040 433 A1 verwiesen, welche Motorsteuerungen mit dq-Koordinatentransformationen beschreiben, sich jedoch von dem Gegenstand der Erfindungsmeldung unterscheiden dürften.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft zweirädrige Fahrzeuge mit einem integrierten Startergenerator (ISG), dessen elektrische Maschine motorisch und generatorisch betrieben werden kann. Eine elektrische Position der elektrischen Maschine soll im Zuge einer sogenannten (positions-) sensorlosen Steuerung („sensorless motor control“) ohne einen Positionssensor bestimmt werden, sondern mit Hilfe von Stromsensoren zur Messung von Phasenströmen der elektrischen Maschine sowie mittels eines mathematischen Models der elektrischen Maschine. Eine derartige geregelte Ansteuerung der elektrischen Maschine ist jedoch nur möglich, wenn die Kurbelwelle in Bewegung ist, so dass eine Regelung im Stillstand üblicherweise nicht möglich ist.
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Die Erfindungsmeldung schlägt daher eine adaptive Steuerung für den Motorstart vor, welche die Kurbelwelle zunächst auf eine bestimmte Geschwindigkeit bringt, ab welcher die sensorlose Motorsteuerung durchgeführt werden kann. Im Zuge dessen wird ein an sich bekanntes dq-Modell der elektrischen Maschine verwendet, wobei dreiphasige Ströme und Spannungen in ein rotorfestes dq-Koordinatensystem mittels der bekannten Clarke-Park-Transformation umgewandelt werden. Das mechanische System wird gemäß der auf Seite 3 oben angegebenen Formel basierend auf dem Motormoment Tmot, dem Moment Tload des Verbrennungsmotors und dem Trägheitsmoment J der Kurbelwelle modelliert. Das Motordrehmoment Tmot wird gemäß der auf Seite 2 unten angegebenen Formel bestimmt.
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Im Rahmen der Erfindungsmeldung werden die für dieses Modell benötigten, unbekannten Parameter R und KM einmalig bestimmt und für zukünftige Starvorgänge in einem Steuergerät hinterlegt. Der Parameter R beschreibt den Widerstand der elektrischen Maschine und der Parameter KM ist eine Motorkonstante.
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Zur Bestimmung des Parameters R wird im Stilltand eine kleine, schrittweise Spannung in der d-Achse induziert, welche nicht zu einer Bewegung des Motors führt. Mit Hilfe des im eingeschwungen Zustand messbaren Stroms kann der Widerstandswert R mittels der Formel auf Seite 3 der Erfindungsmeldung bestimmt werden.
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Die Motorkonstante KM wird online während einer Drehbewegung des Verbrennungsmotors bei eingeschwungenem Strom mittels der Formel auf Seite 3 der Erfindungsmeldung bestimmt mit Hilfe des Kurbelwellensensors.
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Beschreibung
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In 2 ist ein Integrierter Starter Generator (ISG) 15 gezeigt mit einer vorsterurung 24 und einem Stromregler, der mit einem dq-Modell ausgelegt wird und per Trigger an- und abgeschaltet werden kann. Für die Hochlaufphase aus dem Stillstand kann eine Vorsteuerung verwendet werden und ab einer bestimmten Drehzahl wird dann der Stromregler verwendet. Der ISG 15 ist eine PMSM.
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Die Gleichungen des dq Modells lauten:
und
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Die Modellparameter der PMSM 15 sind hierbei:
- • Ld und Lq bezeichnen die Induktivität in der d- und q-Achse,
- • R bezeichnet den Widerstand der PMSM 15,
- • Km bezeichnet die Motorkonstante.
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Die Signale Id, Iq bezeichnen die Ströme in der d- und q-Achse, Ud und Uq die Spannungen in der d- und q-Achse und ωel die elektrische Geschwindigkeit. Die elektrische Geschwindigkeit ist direkt proportional zur mechanischen Geschwindigkeit. Die Verstärkung hängt von der Anzahl der Polpaare der PMSM 15 ab. Unter Vernachlässigung des Rastmoments wird das Motordrehmoment wie folgt berechnet:
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Die Modellierung des mechanischen Systems erfolgt mit Hilfe der Drehmomentbilanz zwischen Motordrehmoment und Lastdrehmoment. Somit werden die geringe viskose Reibung als auch die lokalen Kompressionsdrehmomentspitzen des Verbrennungsmotors berücksichtigt. Beide Werte sind recht unsicher und schwer zu approximieren. Zusätzlich muss die Trägheit der Kurbelwelle berücksichtigt werden.
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Die sich daraus ergebende Modellgleichung ist gegeben durch:
wobei Jnmech für das Trägheitsmoment der Kurbelwelle steht. Die Ströme und Spannungen werden mit Hilfe der bekannten Clarke-Park-Transformation vom Dreiphasen-Strangsystem in das rotierende d-q-System transformiert.
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Die Transformation hängt von der elektrischen Position der elektrischen Maschine ab.
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Für die Regelung der elektrischen Maschine wird ein Entkopplungsnetzwerk 26 und zwei einzelne PI-Regler 28, 30 verwendet, wie in 3 dargestellt.
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Ein gängiger Ansatz für den Algorithmus zur Positionsbestimmung ist der Phase-Locked-Loop-Algorithmus, der von den induzierten Spannungen im statorfesten Rahmen abhängt. Diese so genannten induzierten α- und β-Spannungen werden berechnet mit:
und
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Dabei stehen Ia und Iβ für die zeitlichen Ableitungen der α- und β-Ströme und L für den Mittelwert der Induktivitäten in der d- und q-Achse.
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Die Transformation vom rotierenden zum statorfesten Rahmen wird mit der Clarke-Park-Transformation realisiert.
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Der Algorithmus zur Positionsschätzung ist in 4 dargestellt. Die Parameter des enthaltenen PI-Reglers müssen während der Entwicklung bestimmt werden.
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Eine vereinfachte Darstellung des Feedforward-Reglers beinhaltet eine statische Beziehung zwischen dem Referenzdrehmoment und der Eingangsspannung auf der q-Achse und ist gegeben mit
und
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Der Stromregler 24 wird bei Start des Zweirads aktiviert. Überschreitet die mechanische Geschwindigkeit der PMSM 15 einen bestimmten Schwellenwert, kann der Verbrenner gestartet werden. Danach übernimmt ein Drehzahlregler die Regelung für den Verbrenner.. Der Stromregler 24 kann dabei zunächst für die Rückwärtsdrehung verwendet werden und danach auf die Vorwärtsdrehung umgeschaltet werden.
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Nicht bekannt sind der Widerstand und die Motorkonstante im Vorwärtsregler und im Stromregler der elektrischen Maschine. Um einen Fehlstart zu vermeiden, werden die Parameter abgeschätzt.
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In einem ersten Ansatz werden beide Parameter unabhängig voneinander abgeschätzt. Im Stillstand wird eine kleine Schrittspannung an der d-Achse induziert. Diese Spannung führt jedoch nicht zu einer Bewegung des Motors. Der sich daraus ergebende stationäre Wert der Stromantwort stellt ein Online-Maß für den Widerstand der elektrischen Maschine dar:
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Die Berechnung der Motorkonstante erfolgt in dem Moment, in dem der Motor dreht und sich der Strom einen stationären Zustand befindet. Zusätzlich misst der Kurbelwellensensors die Drehzahl des Verbrennungsmotors.
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Die Berechnung der Motorkonstante erfolgt online mit:
k, L_d, L_q und K_m sind freie Kalibrierungsparameter, die während der Entwicklung bestimmt werden müssen.
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Beide berechneten Modellparameter werden im Steuergerät zwischengespeichert und beim nächsten Startvorgang im Vorwärtsregler verwendet.
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Eine mögliche praktische Hardware-Umsetzung 40 dieser Erfindung ist in 5 gezeigt. Eine Electronic Control Unit (ECU) 42 ist mit einer Fahrzeugbatterie 44 verbunden. In der ECU 42 ist ein Steueralgorithmus implementiert, der unter anderem die Steuerung des Verbrennungsmotors des Zweirads und die beschriebene Steuerung des ISG übernimmt.
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Ein Drei-Phasen-Generator 46 ist mit einem Wechselrichter 48 verbunden. Der Wechselrichter 48 ist mit der Batterie 44 und dem elektrischen Bordnetz verbunden. Der Wechselrichter 48 weist drei High Side Schalter 50a, 50b, 50c und drei Low Side Schalter 52a, 52b, 52c auf.
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Die ECU 42 erhält informationen von mindestens zwei der drei Phasenströme des Wechselrichters 48. Diese zwei Phasenströme können die Ströme von den Low-Side-Schaltern 50a, 50b zur Masse, von den Low-Side-Schaltern 50b, 50c zur Masse oder von den Low-Side-Schaltern 50a, 50c zur Masse sein.
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Eine alternative Lösung könnte die Messung zweier Phasenströme des Generators 46 sein.
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Alternativ können auch alle drei Ströme der Low Side Schalter 50a, 50b, 50c gegen Masse oder die Ströme aller drei Phasen des Generators 46 gemessen werden. Dafür wird ein zusätzlicher Pin am Steuergerät benötigt.
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Die Ansteuerung des Wechselrichters 48 erfolgt dadruch, dass die aus dem Regelalgorithmus resultierenden Ansteuersignale vom Steuergerät 42 mit drei separaten Leitungen an den Wechselrichter 48 übertragen werden, um die drei Halbbrücken anzusteuern. Ein Signal vom Steuergerät steuert eine Halbbrücke an, d.h. ist das Signal high, ist der High-Side-Schalter leitend und der Low-Side-Schalter sperrt. Ist das Signal low, ist der Low-Side-Schalter leitend und der High-Side-Schalter sperrt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8749090 B2 [0004]
- DE 102010040433 A1 [0004]
