Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit, einem Getriebe
und einem Drehmomentübertragungssystem im Antriebsstrang, sowie mit einer
Vorrichtung zur automatisierten Betätigung der Übersetzungseinstellung des
Getriebes und/oder zur automatisierten Betätigung des Drehmomentübertra
gungssystemes, mit zumindest einer Steuereinheit und zumindest einem von der
Steuereinheit ansteuerbaren Aktor zur automatisierten Betätigung von Getriebe
und/oder Drehmomentübertragungssystem, wobei der zumindest eine Aktor
zumindest eine Antriebseinheit, wie beispielsweise einen Elektromotor, aufweist.
Unter automatisierter Betätigung von Getriebe oder Drehmomentübertragungssy
stem, wie Kupplung, ist die gesteuerte Gangwahl des Getriebes mittels eines
Aktors zu verstehen, wobei zumindest ein getriebeseitiges Schaltorgan zwischen
vorgebbaren Positionen betätigt wird, damit ein Gang eingelegt oder nicht
eingelegt ist. Entsprechendes gilt für die Betätigung des Drehmomentübertra
gungssystems, wobei dazu beispielsweise ein Ausrücklager zwischen zwei
Positionen betätigbar und einstellbar ist, um den Einrückzustand und das von dem
Drehmomentübertragungssystem übertragbare Drehmoment einzustellen. Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur automatisierten Betätigung einer
Kupplung und/oder eines Getriebes.
Bei solchen Kraftfahrzeugen besteht eine Korrelation zwischen der Ansteuerung
zumindest eines Antriebselementes und der automatisierten Betätigung des
Drehmomentübertragungssystem und/oder des Getriebes, wobei die Übertra
gungsstrecke zwischen der zumindest einen Antriebseinheit und den betätigbaren
Elementen des Drehmomentübertragungssystemes und/oder des Getriebes
beispielsweise zeitlichen Variationen unterliegen. Weiterhin ist die Kenntnis von
Größen der Betätigung, wie beispielsweise die Position, die Geschwindigkeit, die
Beschleunigung und/oder eine Kraft von betätigbaren Elementen oder auf
betätigbare Elemente notwendig um eine relativ genaue Steuerung oder Regelung
des Kupplungsvorganges und/oder des Schalt- und/oder des Wählvorganges der
Getriebeübersetzung zu erreichen.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug der oben
genannten Art zu schaffen, welches einfach und kostengünstig herstellbar ist und
eine hohe Funktionssicherheit gewährleistet. Weiterhin sollte ein Kraftfahrzeug mit
einer oben genannten Vorrichtung geschaffen werden, welche einfach und
kostengünstig eine Sensorik schafft oder aufweist um eine automatisierte Betäti
gung optimal detektieren und anhand der Daten steuern zu können.
Dies kann bei Kraftfahrzeugen der oben genannten Art erfindungsgemäß dadurch
erreicht werden, daß zumindest eine Kenngröße des Aktors und/oder der
Antriebseinheit des Aktors detektierbar ist und die Steuereinheit mittels dieser
Kenngröße eine eine Betätigung repräsentierende Größe ermittelt.
Dies kann ebenso erreicht werden, wenn der zumindest eine Aktor zumindest einen
Sensor aufweist, welcher zumindest eine Kenngröße des Aktors und/oder der
Antriebseinheit detektiert, wobei die Steuereinheit mittels dieser Kenngröße eine
eine Betätigung repräsentierende Größe ermittelt.
Vorteilhaft kann es dabei sein, wenn die Kenngröße des Aktors und/oder der
Antriebseinheit eine elektrische Kenngröße, wie eine Spannung oder ein Strom
ist.
Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn die Kenngröße des Aktors und/oder der
Antriebseinheit eine mechanische Kenngröße, wie eine Drehzahl, eine Drehrich
tung, eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Betäti
gungsrichtung und/oder eine Betätigungskraft ist. Die Variationen der Kenngrö
ßen der Antriebseinheit als Funktion der Zeit mittels der Steuereinheit ermittelt und
daraus eine eine Betätigung repräsentierende Größe bestimmt oder berechnet
wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Gedanken kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn
Maximalwerte, Minimalwerte oder Nullstellen von Kenngrößen, verarbeiteten
Kenngrößen, verknüpften Kenngrößen und/oder deren zeitliche Abfolge mittels
der Steuereinheit ermittelt und die Steuereinheit daraus eine eine Betätigung
repräsentierende Größe ermittelt.
Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Ausgestal
tung die Steuereinheit mittels zumindest einer Kenngröße der Antriebseinheit
zumindest eine eine Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes oder
zumindest eine einen Schaltvorgang oder einen Wählvorgang des Getriebes
repräsentierende Größe, wie beispielsweise einen Schaltweg, einen Wählweg
und/oder einen Betätigungsweg des Drehmomentübertragungssystemes, be
stimmt.
Weiterhin ist es besonders zweckmäßig, wenn die eine Betätigung repräsentie
rende Größe eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine
Betätigungsrichtung eines Elementes des Drehmomentübertragungssystemes
und/oder des Getriebes und/oder eine Kraftbeaufschlagung auf ein Element des
Drehmomentübertragungssystemes und/oder des Getriebes ist.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit aus der zeitlichen
Abhängigkeit des Stromes und/oder der Spannung der Antriebseinheit, wie
Elektromotor, eine Größe, wie eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Be
schleunigung, eine Bewegungsrichtung und/oder eine Kraft einer Betätigung
bestimmt.
Ebenso kann es nach dem Erfindungsgedanken zweckmäßig sein, wenn die
Steuereinheit mittels inkrementeller Signale die Ermittlung der zumindest einen
eine Betätigung repräsentierenden Größe durchführt.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit mittels analoger oder
digitaler Signale eine Ermittlung der zumindest einen eine Betätigung repräsentie
renden Größe durchführt.
Nach dem erfinderischen Gedanken ist es zweckmäßig, wenn die Steuereinheit
eine Ansteuerung, wie Steuerung oder Regelung, der Betätigung des Getriebes
und/oder des Drehmomentübertragungssystems mittels der zumindest einen eine
Betätigung repräsentierenden Größe als Steuer- oder Regelgröße durchführt.
Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor eine Größe einer Linearbewe
gung, wie eine Wegstrecke, eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung
detektiert. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor eine winkelverän
derliche Größe, wie eine Rotationsbewegung, eine Drehzahl und/oder eine
Winkelbeschleunigung detektiert. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der
Sensor eine Bewegungsrichtung oder eine Drehrichtung erkennt. Ebenso kann es
zweckmäßig sein, wenn ein weiterer Sensor eine Bewegungsrichtung oder eine
Drehrichtung erkennt.
Nach dem erfinderischen Gedanken kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor
ein Inkrement einer Linearbewegung oder einer Rotationsbewegung eines
Elements des Aktors und/oder der Antriebseinheit detektiert. Ebenso kann es
zweckmäßig sein, wenn der Sensor eine Drehzahl oder ein Inkrement einer
Drehzahl eines rotierenden Elementes detektiert. Ebenso kann es vorteilhaft sein,
wenn der Sensor eine Drehrichtung eines rotierenden Elementes detektiert.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor eine Bewegung oder ein
Inkrement eines linear bewegbaren Elementes detektiert. Ebenso ist es vorteilhaft,
wenn der Sensor eine Bewegungsrichtung eines linear bewegbaren Elementes
detektiert.
Erfindungsgemäß kann es bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
zweckmäßig sein, wenn eine Modulation eines Stromes oder einer Spannung als
Inkrement einer Bewegung detektiert wird und mittels dieses Signales eine eine
Betätigung repräsentierende Größe bestimmt.
Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit mittels Sensorsignalen
Inkremente der Betätigungsbewegung detektiert und zählt und daraus eine eine
Betätigung repräsentierende Große bestimmt.
Vorteilhaft ist es, wenn der zumindest eine Sensor ein Inkrementalgeber oder ein
analoger und/oder digitaler Sensor ist.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor im wesentlichen gehäuse
fest angeordnet ist und eine Bewegung eines bewegbaren Elementes detektiert.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Sensor zumindest ein bewegbares
Sensorelement und zumindest ein im wesentlichen feststehendes Sensorelement
aufweist, wobei mittels des einen Sensorelementes die Bewegung oder ein
Inkrement der Bewegung des anderen Sensorelementes detektiert wird.
Ebenso kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn der Sensor ein resistiver, ein
induktiver, ein kapazitiver, ein magnetoresistiver oder ein magnetischer Sensor
oder ein anderer Sensor ist.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der Sensor ein optischer oder optoelek
tronischer Sensor ist. Dabei kann der Sensor im wesentlichen aus einem Geber
und/oder aus einem Nehmer bestehen. Der Geber kann eine Strahlungsquelle,
wie eine Diode oder ein Laser, wie Halbleiterlaser, sein.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor ein Hall-Effekt-Sensor ist.
Nach dem erfinderischen Gedanken ist es vorteilhaft, wenn die detektierte
Kenngröße ein Inkrement einer Kenngröße ist. Die Steuereinheit berechnet aus
den gezählten Inkrementen die Betätigung.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest eine der Antriebseinheiten
des zumindest einen Aktors ein Elektromotor, wie Gleichstrommotor oder Wech
selstrommotor ist.
Nach dem erfinderischen Gedanken kann es vorteilhaft sein, wenn eine elektri
sche Kenngröße, wie ein Strom oder eine Spannung, der Antriebseinheit, wie des
Elektromotors, detektiert wird und mittels Kennlinien oder Kennfelder das An
triebsmoment des Elektromotors bestimmt wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit aus dem Antriebsmoment des
Elektromotors eine Betätigungskraft oder ein -moment unter Berücksichtigung der
Übersetzung zwischen Antriebseinheit und Betätigungselement ermittelt.
Ebenso ist es zweckmäßig, wenn zwischen einer Antriebseinheit und einem
Betätigungselement eine Elastizität angeordnet ist und zumindest ein Sensor bei
einer angesteuerten Betätigung des Betätigungselementes eine Deformation der
Elastizität detektiert und die Steuereinheit mittels des zumindest einen Sensorsi
gnales eine Betätigungskraft ermittelt.
Weiterhin kann es nach dem erfinderischen Gedanken zweckmäßig sein, wenn
zwei Sensoren eine Deformation der Elastizität detektieren, wobei aus den
Sensorsignalen eine Betätigungskraft ermittelbar ist. Ebenso kann es vorteilhaft
sein, wenn zwei Sensoren zur Detektion einer Deformation einer Elastizität
verwendet werden, wobei ein Sensor im Betätigungsweg vor der Elastizität und
ein Sensor im Betätigungsweg nach der Elastizität angeordnet ist und die Steuer
einheit bestimmt aus einer Differenz oder aus einem Quotient der Sensorsignale
eine Betätigungskraft.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Steuereinheit eine detektierte Betäti
gungskraft oder ein eine solche Kraft repräsentierendes Signal mit zumindest
einem Referenzwert vergleicht und bei einem Erreichen oder einem Überschreiten
des Referenzwertes durch die Betätigungskraft eine veränderte Ansteuerung
einleitet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Elastizität
zumindest einen Kraftspeicher umfaßt. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn
der zumindest eine Kraftspeicher unter einer Belastung bei einer Betätigung von
Drehmomentübertragungssystem oder Getriebe deformierbar ist. Ebenso kann
es zweckmäßig sein, wenn der zumindest eine Kraftspeicher mit Spiel angeordnet
ist. Weiterhin kann es zweckmäßig sein; wenn der zumindest eine Kraftspeicher
ohne Spiel angeordnet ist. In einer weiteren Variante der Erfindung ist es vorteil
haft, wenn zumindest eine Kraftspeicher mit Vorspannung angeordnet ist.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Elastizität eine ein- oder mehrstufige Kraft-
Weg-Charakteristik aufweist. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn der
zumindest eine Sensor ein analoger oder digitaler Wegsensor ist. Ebenso kann es
vorteilhaft sein, wenn der zumindest eine Sensor ein digitaler Schalter oder Taster
ist.
Nach einem weiteren erfinderischen Gedanken kann es zweckmäßig sein, wenn
bei Verwendung eines vorgespannten Kraftspeichers ein Schalter oder ein Taster
eine Überschreitung einer vorgebbaren Kraftschwelle, wie eines Grenzwertes,
detektiert.
Nach dem erfinderischen Gedanken ist es vorteilhaft, wenn ein verwendeter
Schalter ein berührungslos schaltender Schalter, wie Hall-Effekt-Schalter oder ein
REED-Schalter ist. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn der Schalter ein
mittels Berührung schaltender Schalter ist.
Nach einem weiteren erfinderischen Gedanken kann es zweckmäßig sein, wenn
bei einem Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung zur automatisierten Betätigung
eines Getriebes und/oder eines Drehmomentübertragungssystemes, mit
zumindest einem Aktor mit zumindest einer Antriebseinheit, ein Temperatur
sensor eine Temperatur eines Elementes des Aktors oder der Antriebseinheit
detektiert.
Ebenso kann es nach einem weiteren erfinderischen Gedanken zweckmäßig
sein, wenn die Steuereinheit mittels eines thermischen Modelles aus einer
Temperatur eines Elementes eine weitere Temperatur eines anderen Elemen
tes bestimmt.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die weitere Temperatur Terr aus
der einen Temperatur Tmess durch:
Terr = Tmess + ΔTmess *R/C*F(PVerlust)
bestimmt wird, mit ΔTmess = Gradient der gemessenen Temperatur, R/C =
thermischer Übergangswiderstand/thermische Kapazität zwischen der Position
der gemessenen Temperatur und der Position der berechneten Temperatur
und F(PVerlust) ist eine Funktion in Abhängigkeit einer thermischen Verlustlei
stung.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit zumindest eine
Temperatur eines Elementes mit einem Referenzwert vergleicht und bei
Erreichen oder Überschreiten des Referenzwertes eine veränderte Ansteue
rung des Aktors einleitet.
Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn zur Ansteuerung der Antriebseinheiten,
wie Elektromotoren, des Aktors/der Aktoren Endstufenschaltungen verwendet
werden, wobei für jeden Elektromotor eine Endstufe mit vier Transistoren in
H-Schaltung verwendet wird.
Nach einem weiteren erfinderischen Gedanken kann es zweckmäßig sein, wenn
zur Ansteuerung der Antriebseinheiten, wie Elektromotoren, des Aktors/der
Aktoren eine Endstufenschaltung mit vier Transistoren in H-Schaltung für einen
ersten Elektromotor und mit je zwei weiteren Transistoren pro weiteren Elektromo
tor verwendet wird.
Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstranges eines
Fahrzeuges,
Fig. 2 eine Darstellung eines Aktors,
Fig. 3 eine Darstellung eines Aktors,
Fig. 4a eine schematische Darstellung eines Sensors,
Fig. 4b ein Diagramm,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Sensors,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Sensors,
Fig. 7 ein Diagramm,
Fig. 7a ein Diagramm,
Fig. 8 ein Blockschaltbild,
Fig. 9 eine Tabelle,
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Schaltplanes,
Fig. 11 ein Blockschaltbild,
Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Schaltplanes,
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Schaltplanes,
Fig. 14 einen Aktor,
Fig. 14a einen Ausschnitt eines Aktors,
Fig. 15 einen Ausschnitt eines Aktors,
Fig. 16 einen Schnitt der Fig. 15,
Fig. 17 einen Ausschnitt eines Aktors,
Fig. 18 einen Schnitt der Fig. 17,
Fig. 19 einen Ausschnitt eines Aktors,
Fig. 20 einen Sensor,
Fig. 21 ein Diagramm,
Fig. 22 einen Sensor,
Fig. 23 ein Diagramm,
Fig. 24 einen Sensor,
Fig. 25 ein Diagramm,
Fig. 26a einen Sensor,
Fig. 26b einen Schnitt durch die Fig. 26a,
Fig. 26c ein Diagramm,
Fig. 26d ein Diagramm,
Fig. 27 ein Diagramm,
Fig. 28 ein Diagramm und
Fig. 29a-32 je ein Diagramm.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebsstranges eines
Fahrzeuges 1 mit einem Antriebsmotor 2, einem Drehmomentübertragungs
system 3 und einem Getriebe 4. Dem Getriebe 4 ist ein Differential 5 sowie
Antriebsachsen/Antriebswellen 6a, 6b nachgeordnet, über welche die ange
triebenen Räder 7a und 7b antreibbar sind.
An den Rädern und/oder an den Antriebsachsen können beispielsweise Rad
drehzahlsensoren 8 angeordnet sein, welche über eine Signalleitung 9 mit
einer Steuereinheit 10 signalverbunden sind. Die Steuereinheit kann somit
beispielsweise die Raddrehzahlen der einzelnen angetriebenen oder nicht
angetriebenen Räder detektieren und auswerten.
Das Drehmomentübertragungssystem 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit
dem Schwungrad 11 verbunden, wobei das Schwungrad 11 mit der Kurbelwel
le des Antriebsmotors 2 verbunden ist. Das Drehmomentübertragungssystem
besteht im wesentlichen aus einem Kupplungsdeckel 12, einer Kupplungs
druckplatte 13, einem Kraftspeicher 14, wie Tellerfeder, und aus einer Kupp
lungsscheibe 15, welche mit der Getreibeeingangswelle 16 im wesentlichen
drehfest verbunden ist. Die Kupplungsscheibe 15 weist weiterhin radial außen
liegende Reibbeläge 17 sowie eine Torsionsschwingungsdämpfungseinrich
tung 18 auf. Das Schwungrad 11 kann als einteiliges Schwungrad oder als
mehrteiliges Schwungrad mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung zwi
schen einer Primär- und Sekundärseite des Schwungrades ausgebildet sein.
Ein solches mehrteiliges Schwungrad ist auch unter dem Begriff Zweimassen
schwungrad allgemein bekannt. Das Schwungrad 11 trägt am radial äußeren
Bereich einen Anlasserzahnkranz 19. Über diesen Anlasserzahnkranz kann
ein Anlasser den Antriebsmotor 2 starten. Weiterhin kann ein Sensor 20 zur
Ermittlung der Motordrehzahl des Antriebsmotors 2 verwendet werden. Der
Sensor 20 steht mit der Steuereinheit 10 in Signalverbindung, wobei diese
Signalverbindung in der Fig. 1 nicht dargestellt ist.
Weiterhin weist das Fahrzeug 1 zumindest ein Betätigungselement einer
Bremse 21 auf, wobei diesem Betätigungselement ein Signalgeber 22 zuge
ordnet ist, welcher detektiert, ob die Bremse, wie Feststellbremse und/oder
Betriebsbremse, betätigt oder unbetätigt ist. Das Betätigungselement kann ein
Pedal oder ein hand- oder fußbetätigter Hebel, wie Handbremshebel, sein.
Weiterhin ist in dem Fahrzeug ein Geber, wie Lasthebel, 23 vorhanden, wel
cher beispielsweise als Gaspedal ausgebildet ist und die fahrerseitige Beein
flussung der Motordrehzahl und des Motormomentes erlaubt. Dem Geber 23
ist zumindest ein Sensor 24 zugeordnet, welcher detektiert, wie stark oder wie
weit der Lasthebel betätigt ist. Weiterhin kann gegebenenfalls gleichzeitig
oder mittels eines anderen Sensorelementes detektiert werden, ob der La
sthebel unbetätigt, wie in Leerlaufposition, ist oder betätigt ist.
Das Fahrzeug 1 weist eine Vorrichtung 30 zur automatisierten Betätigung des
Drehmomentübertragungssystem 3 und/oder zur automatisierten Betätigung
der Übersetzungseinstellung des Getriebes 4 auf. Die Vorrichtung kann auto
matisiert ein Ein- und/oder Ausrücken des Drehmomentübertragungssystems
oder ein Einstellen eines von dem Drehmomentübertragungssystem übertrag
bares Drehmoment durchführen. Ebenso kann die Vorrichtung derart ausge
staltet sein, daß ein Schalten/Wählen der Gänge des Getriebes automatisiert
erfolgen kann.
Die Vorrichtung 30 weist zumindest einen Aktor auf, welcher mit zumindest
einer Antriebseinheit versehen ist. Ebenso können auch mehrere Aktoren
Verwendung finden, wobei diese Aktoren mit ihren Antriebseinheiten die Be
tätigung des Wählvorganges und/oder des Schaltvorganges des Getriebes
und/oder des Betätigungsvorganges des Drehmomentübertragungssystemes
gesteuert oder geregelt durchführen können. Die Vorrichtung 30 ist über eine
Signalleitung 31 mit der Steuereinheit 10 signalverbunden. Die Steuereinheit
10 generiert auf der Basis von eingehenden Signalen und Betriebsgrößen
Steuersignale zum Schalten der Gänge des Getriebes und/oder zum Betäti
gen, wie Ein- oder Ausrücken, des Drehmomentübertragungssystemes. Ne
ben den Sensorsignalen können beispielsweise auch über die Signalleitungen
32 und 33 Signale oder Meßgrößen mit anderen Elektronikeinheiten ausge
tauscht oder von diesen empfangen oder zu diesen übermittelt werden. Bei
spielsweise kann die Steuereinheit 10 mit einer Motorelektronik und/oder mit
einer Elektronik einer Anti-Schlupfregelung und/oder eines Anti-
Blockiersystemes in Signalverbindung stehen. Weiterhin kann die Steuerein
heit auch mit anderen Elektronikeinheiten in Signalverbindung stehen. Die
Elektronikeinheit 10 kann als Einheit die Steuereinheiten zum Schalten des
Getriebes und zum Betätigen des Drehmomentübertragungssystemes um
fassen. Weiterhin kann auch eine integrierte Elektronikeinheit mit bei
spielsweise der Motorelektronik gebildet werden.
Die einzelnen Elektronikeinheiten können aber auch getrennt voneinander
realisiert sein, wobei eine Signalverbindung zwischen den Elektronikeinhei
ten bestehen kann.
Die Vorrichtung 30 ist beispielsweise auf dem Getriebe angeordnet oder an
geflanscht und kann die zentrale Getriebeschaltwelle zumindest teilweise in
sich aufnehmen, um über mechanische oder druckmittelbetätigte, wie hydrau
lische, Stellmittel die Einstellung der Übersetzung des Getriebes vorzuneh
men. Weiterhin weist die Vorrichtung 30 eine Aktorik auf zum Betätigen des
Drehmomentübertragungssystemes, das in diesem Ausführungsbeispiel der
Fig. 1 ein hydraulisches System ist, wobei die Aktorik gegebenenfalls mit
einem Übersetzungsgetriebe und einem Geberzylinder innerhalb der Vorrich
tung 30 vorgesehen ist und über eine Hydraulikleitung 40 mit einem Hydrau
liknehmerzylinder 41 in Fluidverbindung steht, wobei bei einer Ansteuerung
des Kolbens des Geberzylinders innerhalb der Vorrichtung 30 der Nehmerzy
linder das Ausrücklager betätigt, um die Kupplung zu betätigen, wie ein- oder
auszurücken.
Innerhalb der Vorrichtung 30 kann weiterhin zumindest ein Sensor vorhanden
sein, welcher die Betätigung des Schaltvorganges oder des Wählvorganges
der Getriebeübersetzung und/oder den Betätigungsvorgang des Drehmo
mentübertragungssystemes direkt oder indirekt detektiert.
Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung 30 der Fig. 1, wie bei
spielsweise ein Untersystem des Aktors zur Betätigung eines Drehmo
mentübertragungssystemes, wie es in einer Vorrichtung zur beispielsweise
kombinierten Betätigung eines Drehmomentübertragungssystemes sowie zur
Übersetzungswahl eines Getriebes verwendet werden kann. Der Aktor 100
weist eine Antriebseinheit 101 auf. Diese Antriebseinheit 101 ist in diesem
Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ein Elektromotor, wie beispielsweise Gleich
strommotor oder Wechselstrommotor, Schrittmotor oder Wanderwellenmotor,
wobei die Motorwelle 102 im Bereich 103 und im Bereich 104 gelagert ist. Der
Elektromotor ist mit einem Polgehäuse 105 umgeben und kann in das Gehäu
se 106 des Aktors 100 aufgenommen sein oder auf dieses aufgesetzt sein, so
daß die Motorwelle 102 in das Gehäuse 106 hineinragt.
Die Motorabtriebswelle 102 ist über ein Getriebe 110 mit einem Übertragungs
element 120 wirkverbunden, welches die Betätigung des Drehmomentüber
tragungssystemes 130 ausgehend von der Ansteuerung der Antriebseinheit
100 auf ein Betätigungselement 131 überträgt. Im Ausführungsbeispiel der
Fig. 2 ist das Getriebe 110 ein Schneckengetriebe mit Schubkurbel 111, wo
bei die Schnecke 112 mit der Motorwelle 102 drehfest angeordnet ist und ein
Schneckenzahnrad 113 kämmt. Durch die Rotation der Motorwelle 102 wird
die Schnecke 112 in Rotation versetzt, wodurch das Schneckenzahnrad 113
sich um die Drehachse 114 dreht. Dadurch wird der Haltezapfen 115 der
Schubkurbel 111 in eine rotatorische Bewegung um die Achse 114 versetzt,
welche die Schubkurbel 111 im wesentlichen in axialer Richtung längs zur
Achse 116 bewegt.
Der Schubkurbel 116 ist ein druckmittelbetätigtes Übertragungssystem, wie
eine Übertragungsstrecke, nachgeordnet, welche im wesentlichen aus einem
Druckmittelgeberzylinder 121 einer Übertragungsstrecke 122 und einem
Druckmittelnehmerzylinder 123 besteht. Die Übertragungsstrecke weist wei
terhin eine Vorrichtung zum Volumenausgleich oder zur Entlüftung 124 auf,
welche zu einem Reservoir 125 eine Fluidverbindung aufweist.
Durch die Betätigung des Hydrauliknehmerzylinders 123 wird mittels einer
Ausrückgabel 126 das Ausrücklager 131 des Drehmomentübertragungssy
stemes betätigt, wobei durch die Betätigung des Ausrücklagers die Tellerfeder
132 kraftbeaufschlagt wird und in diesem Falle die Kupplungsdruckplatte 133
die Kupplungsscheibe 134 im Raumbereich zwischen Kupplungsdruckplatte
und Schwungrad 135 freigibt. Weiterhin ist der Kupplungsdeckel 136 gezeigt.
Zur Detektion der Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes 130 ist
im Bereich des Aktors 100 zumindest ein Sensor 150 angeordnet, welcher
eine Kenngröße detektiert, welche von einer Steuereinheit in eine, eine Betä
tigung repräsentierende Größe verarbeitet werden kann. Die Kenngröße, die
von dem Sensor detektiert wird, steht in einem gegebenen Zusammenhang
mit der eine Betätigung repräsentierenden Größe. Im Ausführungsbeispiel der
Fig. 2 ist die Kenngröße beispielsweise eine Drehzahl und/oder eine Dreh
richtung und die eine Betätigung repräsentierende Größe ein Betätigungsweg.
Der Betätigungsweg und die Drehzahl stehen aufgrund des Übersetzungsge
triebes und der Übertragungsstrecke in einem festen physikalischen Zusam
menhang.
Der Sensor 150 besteht aus einem ersten Sensorelement 151, welches eine
Drehzahl und/oder eine Drehrichtung oder eine Geschwindigkeit und/oder
eine Betätigungsrichtung detektiert. Weiterhin besteht der Sensor aus einem
Geber 152, welcher im Zusammenwirken mit einer Betätigung des Drehmo
mentübertragungssystemes gleichzeitig betätigt oder bewegt wird. Der Neh
mer 151 detektiert die Bewegung, wie Rotation, des Gebers 152.
Der Sensor 150 ist als inkrementeller Sensor ausgestaltet, wobei der Geber
152 als rotierendes Bauteil ausgestaltet ist, welches bei einer ganzen Umdre
hung eine Vielzahl von Impulsen liefert. Der Nehmer 151 des Sensors 150
detektiert im Lauf einer Umdrehung des Elementes 152 die einzelnen Impulse
und leitet diese über eine Signalleitung 153 an die Steuereinheit weiter.
Der Sensor 150 kann beispielsweise durch ein Zahnrad 152 und einen induk
tiven Nehmer 151 ausgebildet werden, wobei das Zahnrad der Geber 152 ist
und der Nehmer das Sensorelement 151 ist. Fahren während einer Umdre
hung des Zahnrades oder der Motorwelle eine Vielzahl von Zahnradzähnen
am induktiven Nehmer 151 vorbei, so wird jeweils ein Signal induziert, das
über die Signalleitung weitergeleitet wird und von der Steuereinheit verarbei
tet werden kann. Die Steuereinheit zählt beispielsweise die einzelnen Impulse
aufgrund der induzierten Signale der jeweiligen Zähne. Durch die Abfolge von
Zähnen und Zahnlücken, die am Sensorelement 151 vorbeistreichen, ist das
Signal des Sensors moduliert, das heißt, daß es maximale und minimale
Werte als Funktion der Zeit annehmen kann.
Wird von der Steuereinheit eine Betätigung des Drehmomentübertragungs
systemes angesteuert, so wird der Elektromotor 101 bestromt und der Anker
des Motors 101 wird in eine Drehbewegung versetzt, woraufhin sich die Mo
torwelle 102 dreht. Wenn der Geber 152 drehfest mit der Motorwelle 102 ver
bunden ist, dreht sich diese gleichfalls. Durch die Drehung der Motorwelle 102
wird über das Schneckengetriebe 112 die Schubkurbel 116 und somit der
Nehmerzylinderkolben des Nehmerzylinders 123 und in folge dessen das
Ausrücklager 131 in eine axiale Bewegung versetzt.
Zum Erreichen des vollen Betätigungshubes des Ausrücklagers 131 ist bei
spielsweise eine Vielzahl von Umdrehungen des Elektromotors nötig. In ei
nem Ausführungsbeispiel können beispielsweise 50 Umdrehungen der Mo
torwelle pro Gesamthub des Drehmomentübertragungssystemes nötig sein.
Besteht der Sensorgeber 152 aus einem Element, welches pro Umdrehung
beispielsweise 10 Signale am Nehmer 151 erzeugt, so kann bei einem Ge
samtbetätigungshub am Ausrücklager des Drehmomentübertragungssyste
mes eine Gesamtzahl von 500 Impulsen von dem Sensor 150 erzeugt wer
den. Die Steuereinheit detektiert diese einzelnen inkrementellen Impulse und
kann aufgrund der Anzahl der gezählten Impulse die aktuelle Position bei
spielsweise des Ausrücklagers bestimmen.
Der Sensor 150 detektiert im Falle, daß der Sensor ein inkrementeller Sensor
ist, nicht den gesamten Betätigungsweg, sondern er detektiert nur sehr kleine
Einzelinkremente des gesamten Betätigungsweges, wobei die Steuereinheit
die Gesamtanzahl der Inkremente zählt und unter der Voraussetzung, daß die
Anfangsposition bekannt ist, kann die Steuereinheit zu jedem Zeitpunkt die
aktuelle Position des betätigbaren Elementes 131 bestimmen.
Neben der Position eines betätigbaren Elementes kann anhand der zeitlichen
Veränderung der detektierten Inkremente der Betätigungsbewegung auch
eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des betätigbaren Ele
mentes bestimmt werden.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Aktors 200, welcher zur auto
matisierten Betätigung einer Getriebeübersetzung eines Getriebes 4 verwen
det werden kann.
Der Aktor 200 weist in diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zwei An
triebseinheiten 201 und 202 auf, welche im wesentlichen gleichartig ausge
staltet sind und vergleichbar sind mit der Antriebseinheit 101 der Fig. 2. Über
die Motorwellen 203 und 204 wird über jeweils ein Getriebe, wie Schnecken
getriebe, jeweils ein Ausgangselement 205, 206 betätigt. Weiterhin sind ge
triebeinterne Schaltelemente 300 des Getriebes 4 zu erkennen, welche bei
spielsweise innerhalb eines Fahrzeuggetriebes angeordnet sind. Durch die
axiale Verschiebung des Elementes 301 kann über die Hebelanordnung 302
der Schaltfinger 303 entlang der Schaltgassen 304 betätigt werden. Durch
eine Betätigung des Elementes 305 kann der Schaltfinger 303 in axialer
Richtung des Elementes 305 betätigt werden, um eine Auswahl zwischen den
Schaltgassen 304 zu erreichen. Eine Betätigung des Elementes 305 in axialer
Richtung erzeugt eine Bewegung des Schaltfingers 303 in Richtung des Pfei
les 306, wobei eine Betätigung des Elementes 301 eine Betätigung des
Schaltfingers in Richtung des Pfeiles 307 hervorruft. Durch die Betätigung des
Schaltfingers in Richtung des Pfeiles 306 wird zwischen den Schaltgassen
des Getriebes gewählt. Durch die Betätigung des Elementes 301 wird ein
Schalten innerhalb von den Schaltgassen 304 ermöglicht.
Um beispielsweise einen ersten Gang aus einem Neutralbereich einzulegen,
muß der Schaltfinger 303 in Richtung des Pfeiles 307 betätigt werden, um
eine Betätigung innerhalb der Schaltgassen 304 zu erreichen.
Wird das Element 301 in Richtung des Pfeiles 307 betätigt, so wird das Ele
ment 302 verkippt, da es im Bereich 307 geführt ist und um die Achse 308
schwenkbar ist. Durch das Verschwenken des Elementes 302 wird der
Schaltfinger 303 verkippt und kann beispielsweise eine Schaltstange zum
Einlegen eines Ganges betätigen.
Durch eine Betätigung des Elementes 305 in Richtung des Pfeiles 306 kann
eine Verlagerung des Schaltfingers 303 erfolgen, wodurch beispielsweise ei
ne Schaltstange gewählt werden kann.
Die Vorrichtung 200 weist somit zwei elektromotorisch angetriebene Aktoren
auf, die jeweils mit einem ein Schneckengetriebe 210, 211 mit Schnecke 212,
213 und Schneckenrad 214, 215 sowie mit den Schubkurbeln 205 und 206
ausgebildet sind.
Weiterhin können Kraftspeicher 220, 221 vorgesehen sein, welche aufgrund
ihrer Vorspannung die Betätigung der Ausgangselemente, wie Schubkurbeln,
205, 206 als Funktion des Betätigungsweges unterstützen können. Weiterhin
sind Sensoren 250, 251 angeordnet, welche entsprechend dem Sensor 150
der Fig. 2 ausgebildet sind und als inkrementelle Sensoren die Betätigung
des Schaltvorganges, das heißt der Bewegung entlang der Schaltgassen und
des Wählvorganges, das heißt der Bewegung zwischen den Schaltgassen
detektieren.
Die Sensoren 150, 250 und 251 können innerhalb des Aktors sowohl im Be
reich des Getriebes 110, 210, 211 angeordnet sein oder gegebenenfalls auch
innerhalb der Antriebseinheiten, wie Elektromotoren, angeordnet sein. Bei
einer Anordnung innerhalb des Polgehäuses des Elektromotors ist eine An
ordnung in axialer Richtung vor oder hinter den Anker zweckmäßig. Es kann
besonders zweckmäßig sein, wenn der Sensor 150, 250, 251 innerhalb des
Polgehäuses des Elektromotores angeordnet ist, da der Sensor somit vor
montierbar ist.
Die inkrementellen Sensoren 250, 251 können derart ausgebildet sein, daß
der Geber, wie beispielsweise 152, im Bereich des Elektromotors oder im Be
reich des Übersetzungsgetriebes in der Antriebsverbindung nach der An
triebseinheit bereits vorhanden ist oder daß bereits vorhandene Elemente,
welche zu anderen Funktionen bereits vorgesehen sind, gleichzeitig als Ge
ber verwendet werden können. In diesem Falle muß nur der Nehmer, wie bei
spielsweise 151 im Bereich der Auswirkung des Gebers 152 angeordnet wer
den, um die gewünschte Betätigung der Übersetzung des Getriebes oder der
Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes detektieren zu können.
Beispielsweise kann der Motoranker als Geber dienen, da dieser über den
Umfang betrachtet einen modulierten Radius aufweist.
Die Fig. 4a zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 400, wie ei
nes inkrementell arbeitenden oder detektierenden Sensors. Der Sensor weist
ein auf einer Drehachse 401 angeordnetes Sensorelement 402 auf, das mit
der Drehachse 401 im wesentlichen drehfest verbunden ist. Bei einer Rotation
der Drehachse 401 wird das Sensorelement 402 ebenfalls in eine Rotation
versetzt. Dem Sensorelement 402 ist ein weiteres Sensorelement 403 im we
sentlichen gegenüber oder angrenzend angeordnet, welches mit einer Signal
verbindung 404 mit einer Steuereinheit signalverbunden sein kann. Das Sen
sorelement 403 detektiert die Rotation des Sensorelementes 402.
Das Sensorelement 402 ist im Falle des Ausführungsbeispieles der Fig. 4a
als Geber und das Sensorelement 403 als Nehmer ausgebildet. Der Geber
402 ist mit einem bei einer Betätigung sich bewegenden, wie sich drehenden,
Element des Aktor 30, 100, 200 drehfest verbunden. Vorzugsweise ist der
Nehmer 402 mit einem Element des Aktors 30, 100, 200 verbunden, welches
bei einer Betätigung oder Verwendung des Aktors eine relativ hohe Drehzahl
erreicht. Dies kann beispielsweise die Motorwelle eines Elektromotors sein. In
diesem Ausführungsbeispiel kann es vorteilhaft sein, wenn der Geber inner
halb des Gehäuses des Elektromotors angeordnet ist. Ebenso kann der Ge
ber auch in dem Gehäuse des Aktors angeordnet, wobei er auch außerhalb
des Polgehäuses des Elektromotors angeordnet sein kann, wie es beispiels
weise die Fig. 2 zeigt.
Der Aktor kann eine Antriebseinheit, wie beispielsweise einen Elektromotor
enthalten, wobei dieser Antriebseinheit ein Getriebe nachgeordnet sein kann.
Dieses Getriebe setzt die Antriebsbewegung der Antriebseinheit in eine Betä
tigungsbewegung um und das Getriebe kann weiterhin eine Untersetzung
realisieren. Ebenso kann mit dem Getriebe eine Übersetzung erreicht werden.
Die Anordnung des Gebers im Bereich vor dem Getriebe kann im Falle, daß
das Getriebe eine Untersetzung ins Langsame bewirkt, eine höhere Impuls
zahl bei gegebenem Betätigungsweg erreichen. Diese Anbringung des Sen
sors im Bereich eines Bauteiles, welches hohe Drehzahlen oder schnelle Be
wegungen vollzieht, kann zu einer erhöhten Genauigkeit bei der Verwendung
eines inkrementellen Sensors führen.
Bei einer genügend hohen Auflösung des Sensors kann dieser jedoch auch
an einem anderen Bauelement des Aktors, wie beispielsweise an dem Getrie
be oder nach dem Getriebe angeordnet werden. Als solches Getriebe ist in
den Fig. 2 und 3 ein Schneckengetriebe dargestellt. Weiterhin kann auch
ein anderes Getriebe, wie beispielsweise ein Überlagerungsgetriebe, Stirn
radgetriebe, Planetengetriebe, Kurbelgetriebe, Zahnstangengetriebe oder ein
anderes Getriebe eingesetzt werden.
Der Sensor 400 der Fig. 4a ist als magnetischer Sensor dargestellt, wobei
der Geber 402 am Umfang eine Modulation der Magnetisierung aufweist. Dies
ist durch die alternierende Angabe der Buchstaben N und S dargestellt, wobei
dies die magnetischen Nord- und Südpole kennzeichnet. Der Nehmer 403
detektiert bei einer Umdrehung oder bei einer Teilumdrehung des Gebers die
an dem Fenster Sensors 405 vorbei laufenden sich abwechselnden Magneti
sierungen. Der Sensor detektiert diese abwechselnde Magnetisierung und
erzeugt ein alternierendes oder moduliertes Ausgangssignal oder Sensorsi
gnal, welches von der Steuereinheit verarbeitet wird.
Die Fig. 4b zeigt ein solches moduliertes Ausgangssignal S des Sensors
400 als Funktion der Zeit t. In der Fig. 4b ist eine Funktion S (410) für einen
kurzen Zeitraum dargestellt, wobei das Signal Si drei Maxima und zwei Mini
ma in diesem Zeitraum aufweist. Die Maxima werden zu den Zeitpunkten t₁, t₂
und t₃ detektiert. Diese Maxima können beispielsweise erzeugt werden, wenn
ein magnetischer Nordpol oder ein Südpol an dem Fenster 405 des Sensors
400 vorbeiläuft. Weiterhin kann ein solches Maximum auch bei eine Änderung
der Magnetisierung von einem Nordpol N zu einem Südpol S erzeugt werden.
Die Steuereinheit kann dieses Signal dahingehend auswerten, daß sie die
Maxima, Minima oder eventuelle Nulldurchgänge des Signals zählt. Durch die
mechanischen Vorgaben des Gebers ist beim Zählen dieser Ereignisse
(Maxima, Minima und/oder Nulldurchgänge des Signals) bekannt, um welchen
Weg- oder Winkelbetrag- oder -inkrement sich das Element bewegt hat.
Weist beispielsweise der Geber 24 magnetische Pole auf (12 Nord- und 12
Südpole), so gibt die Anzahl der detektierten Inkremente Aufschluß über die
Bewegung/Rotation. Dadurch kann der Weg oder der Drehwinkel bestimmt
werden. Werden bei einer Umdrehung der Antriebswelle 24 Inkremente ge
zählt, so kann bei einer gegebenen Übersetzung von der Motordrehung zu
dem Betätigungsweg der pro Inkrement existierende Betätigungsweg detek
tiert oder berechnet werden, wobei der gesamte Betätigungsweg sich aus ei
ner Summierung der Weginkremente ergibt.
Der magnetische Sensor 403 kann beispielsweise als Hall-Sensor, als magne
toresistiver Sensor oder als induktiver Sensor ausgebildet sein. Der Geber
kann neben der Ausbildung als über den Umfang modulierter Magnet auch
beispielsweise als Zahnrad ausgebildet sein, wobei der Nehmer die Anwe
senheit oder das Fehlen von Zähnen des Zahnrades zählen kann. Der Geber
kann beispielsweise auch durch ein anderes Element gebildet sein, wie durch
einen Anker eines Elektromotors. Diese Lösung ist besonders vorteilhaft, da
ein Element das bereits im System des Aktor vorhanden ist, somit eine zu
sätzliche Funktion erhält und dadurch ein zusätzliches Bauteil für den Geber
gegebenenfalls eingespart werden kann.
Die Fig. 5 zeigt einen Sensor, welcher als optischer Sensor oder strahlungs
empfindlicher Sensor ausgebildet ist. Der Sensor besteht aus einem mit einer
Achse 420 drehbaren Element 421, sowie aus einer Lichtquelle 423 und aus
einem optisch empfindlichen oder strahlungsempfindlichen Empfänger 424.
Die Lichtquelle 423 kann beispielsweise eine Leuchtdiode oder ein Laser, wie
beispielsweise ein Halbleiterlaser, oder eine andere Lichtquelle oder Strah
lungsquelle sein. Das emittierte Licht oder die emittierte Strahlung 423a trifft
auf das Element 421. Durch das Element 421 wird diese Strahlung kodiert
oder moduliert. Anschließend wird diese kodierte oder modulierte Strahlung
von dem Empfänger oder Detektor 424 detektiert oder sensiert.
Das Element 421 ist in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt, welche sich bei
spielsweise über den Umfang verteilt wiederholen oder abwechseln. Die un
terschiedlichen Bereiche 422a und 422b modulieren oder kodieren die Strah
lung oder das Licht, das den Detektor 424 erreicht. Diese Modulation wird
beispielsweise dadurch erreicht, daß die Bereiche 422a die Strahlung passie
ren lassen und die Bereiche 422b die Strahlung abschirmen. Dadurch kann
bei einer Bewegung des Elementes 421 eine Modulation der Intensität am
Detektor 424 erreicht werden, welche als inkrementelles Signal ausgewertet
werden kann.
Die Bereiche 422a sind Bereiche, welche die Strahlung passieren lassen, wo
bei die Bereiche 422b die Strahlung nicht zu dem Detektor 424 passieren las
sen.
Die Fig. 6 zeigt einen Sensor 450 mit einem Zahnrad 452, welches mit einer
Drehachse 451 drehbar ist, wobei sich die Drehachse um die Achse 451 a
dreht. Das Zahnrad weist wie üblich Zähne 453 und Zahnlücken 453a am
Umfang auf, wobei die von der Strahlungsquelle 454 emittierte Strahlung
durch die Zähne behindert wird und durch die Zahnlücken zu dem Empfänger
455 gelangen kann.
Bei einem bekannten Ausgangswert der Stellung oder der Position eines
Stellgliedes oder eines Betätigungselementes vor der Betätigungsbewegung
kann durch eine Zählung der Inkremente der Bewegung die nach der Bewe
gung aktuelle Position oder Stellung bestimmt werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem oben beschriebenen Aktor Endgeber
160, 162 vorhanden sind, welche derart angesprochen werden, wenn die Be
tätigungsbewegung einen Endpunkt erreicht hat. Dadurch kann in diesen
Positionen die absolute Position immer wieder neu kalibriert werden, da es im
Laufe der Betriebsdauer immer wieder vorkommen kann, daß einzelne Inkre
mente nicht gezählt werden. Durch die Endanschlaggeber 160, 162 oder
Endschalter kann somit eine immer wieder neu kalibrierte Endposition festge
legt werden.
Die Fig. 2 zeigt solche Endschalter 160 und 162, welche in den Endpositio
nen der Schubkurbel 116 beaufschlagt und geschaltet werden. Diese Schalter
stehen mit des Signalleitungen 161 und 163 mit einer Steuereinheit in Signal
verbindung. Ist beispielsweise die Schubkurbel in ihrer einen Endposition, so
kann diese Position beim Schalten des Schalters 161 auf einen Sollwert für
diese Position eingestellt werden. Bei der nächsten Betätigung wird dann von
diesem Sollwert aus die Position des Betätigungselementes bestimmt. Zum
Schalten der Schalter 160 und 162 ist ein Betätigungselement 165 an der
Schubkurbel vorgesehen, welche gegen die Schalter- oder Tasterköpfe verla
gert werden kann.
Weiterhin kann auch zumindest ein Schalter derart angeordnet sein, daß er
im Betätigungsweg an einer vorgebbaren Stelle angeordnet ist und geschaltet
wird, wenn diese vorgebbare Position erreicht ist. Dadurch kann eine Kalibrie
rung der Position des Betätigungsmittels durchgeführt werden, wenn das Be
tätigungsmittel diese Position erreicht. In dieser Position kann die Position des
Betätigungsmittels auf einen Referenzwert festgelegt werden. Ist die vorgeb
bare Position des Schalters im wesentlichen in einem Bereich der oft erreicht
wird, so kann die Kalibrierung relativ oft durchgeführt werden.
Der oben genannte Schalter kann ein über eine Berührung gesteuerter
Schalter oder ein berührungslos arbeitender Schalter, wie beispielsweise ein
Hall-Effekt-Schalter oder REED-Schalter, sein.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Aktoren weisen jeweils eine An
triebseinrichtung oder Antriebseinheit 101, 201, 202, wie beispielsweise einen
Elektromotor auf, um die Betätigungsarten Schalten, Wählen und Kuppeln bei
einem automatisierten Schaltgetriebe mit einer automatisierten Kupplung je
weils einzeln durchzuführen. Entsprechend dieser Anordnung von An
triebseinheiten für die einzelnen Betätigungsarten werden auch einzelne Sen
soren zur Detektion der Betätigung eingesetzt. Es werden in den Ausfüh
rungsbeispielen der Fig. 2 und der Fig. 3 jeweils einzelne Sensoren zur
Detektion der Betätigung des Wählens des Getriebes, des Schaltens des Ge
triebes und des Kuppelns des Drehmomentübertragungssystemes verwendet.
Jeder dieser Sensoren detektiert unabhängig von den anderen Sensoren die
Position eines Betätigungselementes und/oder die Geschwindigkeit und/oder
die Beschleunigung dieses Elementes und/oder die Kraft, welche auf dieses
Element wirkt. Die Sensoren können als analoge oder inkrementale Sensoren
ausgebildet sein. Aus der Zeitabhängigkeit der Weginformation kann bei
spielsweise auch eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung
und/oder eine Drehrichtung oder Betätigungsrichtung berechnet werden.
Eine weitergehende Weiterentwicklung eines automatisierten Schaltgetriebes
mit einer automatisierten Kupplung kann unter Verwendung geeigneter Ge
triebe und Getriebekombinationen eine Reduzierung der Antriebseinheiten
erlauben, wobei beispielsweise eine Antriebseinheit für den Vorgang Schalten
und Wählen verwendet wird, und eine zweite Antriebseinheit für den Vorgang
Kuppeln. Eine weitere Ausgestaltung eines automatisierten Schaltgetriebes
mit einer automatisierten Kupplung kann beispielsweise eine Antriebseinheit
vorsehen für die Betätigung des Kuppelns und des Schaltens, wobei eine
zweite Antriebseinheit den Wählvorgang betätigt. Weiterhin können andere
Kombinationen unter Verwendung von zwei Antriebseinheiten vorgesehen
sein. Ebenso gibt es Möglichkeiten zur Verwendung einer einzelnen An
triebseinheit für das Kuppeln des Drehmomentübertragungssystemes und das
Schalten und Wählen des Getriebes. Solche Aktoren mit zwei Antriebseinhei
ten oder mit nur einer Antriebseinheit können die Funktionen Kuppeln,
Schalten und Wählen zum Teil in beliebiger Reihenfolge oder aber auch ein
sequentieller Reihenfolge durchführen.
In Abhängigkeit der Zusammenfassung der Betätigungsarten durch eine An
triebseinheit können diese Betätigungsarten beispielsweise parallel oder se
riell erfolgen.
Die Verwendung von Sensoren zur Detektion der Betätigung hängt unter an
derem davon ab, wie viele Antriebseinheiten innerhalb eines Aktors verwen
det werden. Bei der Verwendung von drei Antriebseinheiten ist ebenfalls eine
Verwendung von drei Sensoren zweckmäßig. Die Anzahl der Sensoren kann
unmittelbar mit der Anzahl der Antriebseinheiten zusammenhängen, um eine
jeweils möglichst genaue Kenntnis von dem Betätigungszustand des Systems
zu erhalten.
Für die Steuerung des Aktors eines automatisierten Schaltgetriebes ist es
nach dem oben beschriebenen zweckmäßig, wenn die Positionserfassung der
Betätigungsarten für die drei Teilfunktionen Kuppeln, Schalten und Wählen
durchgeführt wird. Zweckmäßig ist es dabei, wenn ein Sensor oder zwei un
terschiedliche Sensoren sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung, re
spektive die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung, zumindest eines
Betätigungselementes für die Teilfunktionen Kuppeln, Schalten und Wählen
detektieren. Ist die Betätigungsbewegung eine Rotationsbewegung, so sind
Drehzahl und Drehrichtung die entscheidenden zu detektierenden Größen, ist
die Bewegung eine lineare Bewegung, so ist die Geschwindigkeit und die Be
wegungsrichtung die zu detektierende entscheidende Größe. Aus den Grö
ßen zur Bestimmung der Bewegung, wie beispielsweise Drehzahl und Dreh
richtung, kann die Position des Stellgliedes zur Betätigung des Schaltvorgan
ges, des Wählvorganges und/oder des Kuppelvorganges berechnet oder
bestimmt werden. Das Antriebselement, wie Elektromotor, kann zum Beispiel
ein Elektromotor mit einem nachgeschalteten Getriebe sein. Das Stellglied
kann zum Beispiel die Kupplungs-, Schaltungs- oder Wählbetätigung sein.
Zweckmäßig kann es sein, wenn ein Weg und eine Bewegungsrichtung, re
spektive eine Drehzahl und eine Drehrichtung, respektive eine Position an
einer Stelle des Antriebs ermittelt wird. Weiterhin kann es zweckmäßig sein,
wenn der Weg und die Bewegungsrichtung bzw. die Position an einer Stelle
eines dem Antrieb nachgeschalteten Getriebes detektiert wird.
Die Position des Stellgliedes kann unter Berücksichtigung von elastischen
Verformungen der Übertragungsstrecke zwischen Antriebseinheit des Aktors
und Stellglied ermittelt werden. Hierzu kann es zweckmäßig sein, wenn weite
re Größen sensiert werden, aus welchen sich eine Betätigungskraft bestim
men läßt. Dabei können auch dynamische Einflüsse berücksichtigt werden.
Zweckmäßig kann es sein, wenn zwei Positionen einer Übertragungsstrecke
detektiert werden, wobei zwischen diesen Positionen eine Elastizität angeord
net ist, welche bekannte elastische Eigenschaften aufweist. Aus dem Diffe
renzweg und mittels der Elastizität kann eine Betätigungskraft berechnet wer
den. Der Differenzweg ist eine Differenz der Positionen der Übertragungs
strecke.
Aus den Daten der Positionen der detektierten Anteile der Übertragungsstrec
ke, sowie mit den bekannten elastischen Eigenschaften der Elastizität lassen
sich Betätigungskräfte berechnen.
Weiterhin können zur Erhöhung oder Verbesserung der Genauigkeit der Po
sitionsbestimmung Schalter oder Anschläge an den Endpositionen oder an
anderen Positionen zur öfteren oder regelmäßigen oder ständigen Eichung
des Positionswertes verwendet werden.
Bei einem Einsatz von Elektromotoren als Antriebseinheiten kann zur Weg
messung die Ungleichförmigkeit des Laststroms verwendet werden. Zum Bei
spiel wird bei einem zweipoligen Gleichstrommotor durch die Kommutierung,
beispielsweise mit schleifenden Kohlebürsten, die Stromrichtung für den An
ker zweimal pro Umdrehung umgepolt. Die bei laufendem Motor im drehen
den Anker induzierte Gegenspannung hat zwei Nullstellen pro Umdrehung
des Motors. Die Summe aus äußerer Spannung und Gegenspannung hat pro
Umdrehung zwei Minima und zwei Maxima. Bei anderen Motorausführungen
kann sich eine größere Zahl von Minima und Maxima pro Umdrehung erge
ben. Durch die Zählung der Minima bzw. Maxima als Inkremente der Umdre
hung ist eine Positionsbestimmung eines Betätigungselementes durch die
Steuereinheit möglich.
Liegen keine äußeren Spannungen an dem Elektromotor an, kann der An
kerstromkreis des Motors kurzgeschlossen werden und die Minima bzw. Ma
xima des Kurzschlußstromes sind von der Steuereinheit zählbar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, können Senso
ren verwendet werden, welche Bewegungen von bewegbaren Elementen des
Motors oder der Aktorik detektieren. Solche Sensoren können beispielsweise
in das Gehäuse des Elektromotors integriert werden, wobei der bewegte Teil
des Sensors auf der Motorwelle und der stehende Teil im Bereich des Ge
häuses angeordnet und befestigt ist. Eine Bewegung der Aktoren wird somit
zwangsläufig zur Wirkstelle des Sensors übertragen.
Bei einer Aktorik mit kombinierter oder gekoppelten Betätigung der jeweiligen
Teilvorgänge Kuppeln, Schalten und/oder Wählen kann eine Sensorik vor
der Kopplung der Teilbetätigungen angeordnet sein, oder nach der Kopplung
angeordnet sein. Erfolgt die Anordnung der Sensoren vor der Kopplung, das
heißt, im Bereich der Antriebseinheit oder zwischen der Stelle des Koppelge
triebes, an welche die Kopplung stattfindet und der Antriebseinheit, so kann
pro Antriebseinheit jeweils nur ein Sensor benötigt werden. Werden die Sen
soren nach der Koppelstelle angeordnet, so wird pro Betätigungsart zumin
dest ein Sensor benötigt.
Als Aufnehmer der Sensoren werden inkrementale Wegaufnehmer, wie opto
elektronische Wegaufnehmer, magnetische Aufnehmer, wie beispielsweise
Hall-Sensoren oder induktive Aufnehmer (Nehmer) verwendet. Als Aufnehmer
für inkrementelle Drehzahlaufnehmer können Induktionsaufnehmer, induktive
Aufnehmer, Hall-Sensoren oder optoelektronische Drehzahlaufnehmer ver
wendet werden. Weiterhin können auch andere Drehzahlaufnehmer verwen
det werden.
Bei der Verwendung von inkrementellen Aufnehmern wird durch eine Anord
nung von zwei Aufnehmern und einer phasenversetzten Anordnung dieser
zwei Aufnehmer eine Bewegungsrichtung mit Hilfe einer Auswerteelektronik
ermittelbar. Durch die Erzeugung eines phasenverschobenen Signals des
einen Sensors im Vergleich zu dem Signal des anderen Sensors kann die
Bewegungsrichtung ermittelt werden, da das vor- oder nacheilen des einen
Signales im Vergleich zu dem anderen Signal charakteristisch für die Dreh
richtung sein kann.
Weiterhin können als analoge Weg- und/oder Winkelaufnehmer Sensoren
wie resistive Weg- oder Winkelsensoren, induktive Sensoren, Wirbelstrom
sensoren, kapazitive Sensoren oder optoelektronische Wegsensoren im
Analogverfahren oder magnetische Wegsensoren, wie Hall-Sensoren oder
magnetoresistive Sensoren verwendet werden. Weiterhin können Sensoren
verwendet werden, welche kodierte Weg- oder Winkelaufnehmer beinhalten.
Die Fig. 20 bis 25 zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines Sensors.
Bei einer Verwendung eines integrierten Sensors im Bereich der Antriebsein
heit des Aktors, wie beispielsweise des Elektromotors, kann die Drehzahl des
Motors detektiert werden. Beispielsweise kann ein Hall-Sensor oder eine
Mehrzahl von Hall-Sensoren in das Gehäuse des Elektromotors integriert
werden. Eine mit beispielsweise 12 über den Umfang verteilten Magnetpolen
bestückte Scheibe läuft auf der Motorwelle um. Bei der Anordnung von zwei
Hall-Sensoren läuft diese Scheibe an diesen Hall-Sensoren vorbei. Die An
ordnung der Hall-Sensoren kann derart sein, daß ein phasenverschobenes
Signal erzeugt werden kann. Als Signale der Hall-Sensoren ergeben sich
somit zwei um beispielsweise 90° phasenverschobene Sinussignale mit je 6
Vollwellen pro Umdrehung (bei 6 Polpaaren). Die Sinussignale können von
der Steuereinheit in Impulse verwandelt werden. Weiterhin können auch
mehrere Sensoren (n Stück) vorzugsweise im Winkel von 180/n Grad ange
ordnet sein, wobei mit einer geeigneten Logik ein alternierendes Signal von
einer Steuereinheit oder zumindest einer Elektronikeinheit erzeugt werden
kann.
Die Fig. 7 zeigt ein Diagramm, in welchem Signale 51 als Funktion der Zeit
dargestellt sind, wie beispielsweise Sensorsignale von oben genannten Hall-
Sensoren. Die Kurven 501 und 502 sind solche Signale von Hall-Sensoren,
wobei die beiden Sensoren, welche diese Ausgangssignale 501 und 502 lie
fern, versetzt angeordnet sind, um eine Phasenverschiebung zwischen den
beiden Signalen 501 und 502 zu generieren. Die Steuereinheit oder eine an
dere Elektronikeinheit, welche beispielsweise in die Sensoren integriert wer
den kann, erzeugt aus dem Signal 501 ein Signal 503 und aus dem Signal
502 ein Signal 504. Die sinusförmigen Signale 501 und 502 werden in im we
sentlichen Rechtecksignale umgewandelt, wobei der Anstieg des Signals 503,
504 von einem Minimalwert (gegebenenfalls null) auf einen Maximalwert
(gegebenenfalls 1) über eine gewisse Zeitdauer Δt erfolgt. Das Signal 503
weist einen minimalen Wert 510 auf, wenn das Signal 501, das im wesentli
chen sinusförmig ausgebildet ist, eine erste Halbwelle durchläuft. Während
der Dauer der zweiten Halbwelle ist das Signal 503 im wesentlichen auf einem
Maximalwert 511. Entsprechend ist der Kurvenverlauf der Kurve 504 an den
Kurvenverlauf der Kurve 502 gekoppelt. In einer anderen Ausgestaltung der
Erfindung kann das Signal der Kurve 503 auch derart an das Signal der Kurve
501 angepaßt sein, daß im Bereich der ersten positiven Halbwelle der Kurve
501 das Signal 503 maximal ist und im Zeitbereich der zweiten negativen
Halbwelle des Signals 501 der Signalverlauf des Signals 503 minimal ist.
Die Kurve 505 ist eine XOR-Verknüpfung der Signale 503 und 504. Das Si
gnal 505 ist minimal oder null, wenn die beiden Funktionen 503 und 504 ihren
Minimalwert aufweisen oder beide Signale 503 und 504 ihren Maximalwert
aufweisen. Das Signal 505 ist maximal, wenn eines der Signale 503 oder 504
minimal ist und das andere Signal maximal ist.
Durch diese Auswertung der Signale 501 und 502 beispielsweise zu dem Si
gnal 505 kann bei einer Auslegung von 12 Magnetpolen, das heißt bei 6 Pol
paaren über den Umfang des Gebers und zwei um 90° phasenversetzten
Hall-Sensoren ein Signal erzeugt werden, welches 24 Impulse (12 High, 12
Low) pro Umdrehung aufweist. Damit ergibt sich beim Zählen der positiven
(ansteigenden) oder negativen (abfallenden) Flanken eine Auflösung von ei
ner vierundzwanzigstel Umdrehung der Motorwelle, wobei diese Signale von
der Steuereinheit detektiert werden können. Somit ist eine inkrementelle
Wegmessung eines Teilweges möglich. Weiterhin kann aufgrund der Zeitver
zögerung der Signale relativ zueinander eine Drehrichtungserkennung der
Motorwelle oder der Antriebswelle des Gebers des Sensors ermittelt werden.
Die Sensoren können bereits eine Elektronikeinheit aufweisen, welche aus
den im wesentlichen sinusförmigen Signalen ein im wesentlichen Rechtecksi
gnal erzeugt. Eine weitere Elektronikeinheit oder die zentrale Steuereinheit
kann aus diesen einzelnen im wesentlichen Rechtecksignalen die gewünsch
te Drehzahl und/oder Drehrichtung oder die Inkremente der Betätigungsbe
wegung oder die entsprechenden Größen einer linearen Bewegung bestim
men.
Die Fig. 7a zeigt Signale eines Ausführungsbeispiels bei welchem 3 Senso
ren derart angeordnet sind, daß eine Phasenverschiebung von 60 Grad, wie
180/3 Grad, bei den Signalen resultiert. Die Kurven 510, 511 und 512 zeigen
die Signale der Sensoren als Funktion der Zeit. Die Kurve 513 zeigt das
XOR-veknüpfte Signal der Kurven 510 und 511, wie S(510) XOR S(511). Die
Kurve 514 zeigt das Singal 513 mit dem Signal 512 bei einer
XOR-Verknüpfung, wie (S(510) XOR S(511)) XOR S(512).
Weitere Anordnungen von Sensoren können mit entsprechenden Verknüp
fungen zu einer höheren Auflösung von Inkrementen der Betätigungsbewe
gung führen.
Eine Anordnung von mehr als einem Sensor kann auch zu einem Redundan
ten System führen, wenn bei einem Ausfall von einem Sensor ein anderer
Sensor zur Erlangung der Informationen herangezogen werden kann. So kann
bei einem Ausfall eines Sensors von beispielsweise zwei Sensoren der Fig.
7 noch die Drehzahl ermittelt werden, wobei die Drehrichtung durch die Stro
meinspeisung oder Steuerung des Stromes bestimmt werden kann.
Weiterhin kann neben dem Sensoriksystem ein zweites Sensoriksystem vor
handen sein, das nur im Falle des Ausfalles des ersten Systems aktiviert wird
oder deren Daten nur im Falle eines Ausfalles zur Bestimmung der Betätigung
verwendet werden. Weiterhin kann es bei einem Kraftfahrzeug mit einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung zur automatisierten Betätigung der Überset
zungseinstellung des Getriebes und zur automatisierten Betätigung des
Drehmomentübertragungssystemes zweckmäßig sein, wenn die Betäti
gungskraft beim automatisierten Kuppeln und/oder beim automatisierten
Betätigen der Übersetzungseinstellung des Getriebes detektiert wird.
Die Betätigungskraft kann beispielsweise durch eine Messung des Motor
stromes des Aktors und aus einer Berechnung der Betätigungskraft an
hand des Motorstromes durchgeführt werden. Weiterhin kann durch eine
Messung der Veränderung der Versorgungsspannung aufgrund der Last
ströme und des Innenwiderstandes der Spannungsquelle eine Betäti
gungskraft bestimmt werden. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn
durch die Berechnung des Motorstromes des Aktors aus der Steuerspan
nung und der Elektromotordrehzahl die Betätigungskraft bestimmt werden
kann. Weiterhin kann durch die Messung der Drehzahl des Aktors und
gegebenenfalls anderer Größen des Aktors die Betätigungskraft bestimmt
werden. Zweckmäßig kann es weiterhin sein, wenn durch die Messung
einer Verformung eines elastischen Elementes, das sich im Kraftfluß be
findet, eine Betätigungskraft bestimmt werden kann.
Bei der Betätigung oder Ansteuerung eines automatisierten Schaltgetrie
bes sowie insbesondere bei Ansteuerung des Aktors oder der Aktoren des
automatisierten Schaltgetriebes zum Kuppeln und/oder Schalten und/oder
Wählen kann es zweckmäßig sein, wenn die Betätigungskräfte bekannt
sind.
Bei einer Reibungskupplung als Drehmomentübertragungssystem kann
beispielsweise über die Betätigungskraftkennlinie das von dem Drehmo
mentübertragungssystem übertragbare Kupplungsmoment bestimmt wer
den. Dadurch kann ein vorgebbares übertragbares Kupplungsmoment ein
gestellt, wie eingeregelt oder angesteuert, werden. Das Drehmomentüber
tragungssystem kann als Drehmomentwandler mit Wandlerüberbrüc
kungskupplung, als Trockenreibungskupplung oder naß laufende Rei
bungskupplung ausgebildet sein.
Bei einer automatisierten Betätigung der Einstellung der Getriebeüberset
zung, wie bei einem automatisierten Schalt- und Wählvorgang des Getrie
bes, kann es zweckmäßig und notwendig sein, wenn positionsabhängig
bestimmte Betätigungskräfte nicht überschritten werden. Die beim Schal
ten oder Wählen auftretenden Betätigungskräfte können zum Teil auch
abhängig vom zeitlichen Verlauf der Bewegung unterschiedlichen Grenz
werten unterlegen sein. Wenn beispielsweise eine Behinderung der Betäti
gung oder der Bewegung im Laufe einer automatisierten Betätigung des
Getriebes auftritt, sollte aufgrund einer Vermeidung von Folgeschäden
eine Maximalkraft nicht überschritten werden. Diese Maximalkraft kann in
Abhängigkeit von verschiedenen Parametern unterschiedlich gewählt
werden, wobei beispielsweise verschiedene Maximalkräfte im Laufe des
Betätigungsablaufes vorliegen können.
Die Steuereinheit kann bei einer automatisierten Betätigung des Getriebes
anhand von Positions- und/oder Kraftsignalen sicherstellen, daß der
Schaltvorgang und/oder Wählvorgang fehlerfrei durchgeführt und/oder
beendet wird, so daß bei einem möglicherweise vorhandenen Auftreten
eines Betätigungsfehlers die Steuereinheit diesen Fehler als solchen er
kennt und auf einen solchen Fehler anhand geeigneter Maßnahmen rea
gieren zu können. Beispielsweise kann in einem solchen Zusammenhang
die Detektion der Betätigungskraft sinnvoll oder zweckmäßig sein. Ebenso
kann es zweckmäßig sein, wenn die Betätigungskraft bei einer Ansteue
rung vorgegeben wird.
Ein Fehler bei einer Betätigung eines Getriebes kann beispielsweise bei
einem nicht idealen Einspüren der Gangverzahnungen auftreten. In diesem
Falle würde eine Betätigungskraft über einen Grenzwert ansteigen können
und gegebenenfalls zu einer Zerstörung führen.
Wird jedoch eine Kraft oder ein eine Kraft repräsentierendes Signal detek
tiert, so kann bei Überschreiten oder bei Erreichen eines Kraftgrenzwertes
die Betätigung abgebrochen oder zurückgenommen werden.
Die Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm zur Ansteuerung von Elektromotoren
bei einem automatisierten Schaltgetriebe. Die Steuereinheit 550 steuert
die Endstufenschaltungen in 551, 552 und 553 an, wobei diese die An
steuerung der Antriebseinheiten, wie Elektromotoren 554, 555 und 556
ansteuert. Die Steuereinheit 550 ist somit mit Endstufenschaltungen E1
bis E3 (551 bis 553) verbunden, wobei jeder Elektromotor M1 bis M3
(554 bis 556) eine Endstufenschaltung aufweist oder dieser zugeordnet ist.
Die Antriebseinheiten M1 bis M3 sind den Betätigungen Schalten, Wählen
und Kuppeln zugeordnet.
Die Fig. 9 zeigt ein Diagramm oder eine Tabelle zur Verwendung von
Antriebseinheiten, wie Elektromotoren M1 bis M3 bei einem automatisier
ten Schaltgetriebe. In der Spalte 560 wird der Elektromotor M1 zum Kup
peln verwendet, was durch das Symbol K wiedergegeben wird, der Motor
M2 wird zum Schalten sowie der Motor M3 zum Wählen verwendet. Dies
ist durch die Symbole S und W charakterisiert. In der Spalte 561 ist eine
weitere Ausführungsvariante dargestellt, wobei der Motor M1 zum Kup
peln und Schalten verwendet wird und der Motor M2 zum Wählen zwi
schen den Schaltgassen. Der Motor M3 wird bei dieser Lösung nicht ver
wendet.
In der Spalte 562 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei
bei diesem Ausführungsbeispiel der Motor M1 zum Kuppeln und Wählen
verwendet wird und der Motor M2 zur Betätigung des Schaltvorganges.
Auch hier wird der Motor M3 nicht verwendet. Die Spalte 563 verdeut
licht ein weiteres Ausführungsbeispiel, in welchem die Antriebseinheit,
wie Motor M1, zum Kuppeln verwendet wird und die Antriebseinheit, wie
Motor M2, zum Schalten und Wählen verwendet wird. In der Spalte 564
der Fig. 9 wird nur eine Antriebseinheit, wie beispielsweise Elektromotor,
zum Kuppeln, Schalten und Wählen verwendet.
Die Fig. 10 zeigt eine Endstufenschaltung für einen Motor, wie bei
spielsweise einen der Motoren M1 bis M3 der vorhergehenden Figuren.
Bei einer Endstufenschaltung 600 werden vier Transistoren 601, 602,
603 und 604 in H-Brückenschaltung für einen Motor, der in beiden Dreh
richtungen arbeitet, verwendet. Die diagonal gegenüberliegenden Transi
storen 601 und 604 oder 602 und 603 werden gleichzeitig geschaltet für
einen Rechts- oder Linkslauf des Motors oder die unteren bzw. die oberen
Transistoren 601 und 603 oder 602 und 604 werden gleichzeitig geschal
tet, um einen Kurzschluß zu erzeugen. Die Transistoren können Lei
stungstransistoren sein. Weiterhin können die Transistoren mit Rückfluß
dioden ausgestattet sein.
Die Verbindung 605 ist zu einer Stromversorgung, wie beispielsweise ei
nem elektrischen Spannungspotential, ausgerichtet. Die Verbindung 606
ist in diesem Ausführungsbeispiel geerdet, wobei der Meßwiderstand 607
angeordnet ist, um beispielsweise eine Strommes
sung/Spannungsmessung im Massepfad durchzuführen. Eine solche Mes
sung würde die Ermittlung des motorseitigen Stromes ermöglichen, wobei
die Motorleistung und/oder das Motormoment bei gegebenen Bedingun
gen, wie beispielsweise Temperatur, Motordrehzahl usw. , anhand des
Motorstromes bestimmt werden kann.
Eine Endstufenschaltung der Fig. 10 kann beispielsweise als Endstufen
schaltung im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 unter E1, E2 oder E3 ver
wendet werden.
Die Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild, in welchem eine Steuereinheit 650,
eine Endstufenschaltung 651 ansteuert, wobei diese Endstufenschaltung
zumindest einen, zwei oder auch drei Antriebseinheiten 652, 653 und
654 ansteuern kann. Die Antriebseinheiten M1 bis M3 können zum Schal
ten, Wählen und Kuppeln verwendet werden.
Die Fig. 12 zeigt eine Endstufenschaltung, wie sie beispielsweise in
Block 651 der Fig. 11 verwendet werden kann. Die Motoren M1 bis M3
701, 702 und 703 können als Antriebseinheiten der Antriebseinheiten
652 bis 654 der Fig. 11 verwendet werden. Zur Ansteuerung der Moto
ren 701 bis 703 werden mehrere H-Brückenschaltungen gemäß der Fig.
10 zusammengefaßt. Dabei werden zu den vier Transistoren für einen
ersten Motor für jeden weiteren Motor zwei Transistoren hinzugefügt. Als
Transistor zu Motor M1 gelten die Transistoren 704, 705, 706 und 707.
Entsprechend für den Motor M2 (702) sind die Transistoren 704, 708,
706 und 709 angeordnet, wobei die Transistoren 704 und 710 sowie 706
und 711 zur Ansteuerung des Motors M3 (703) verwendet werden. Wei
terhin sind Meßwiderstände 712, 713, 714 ünd/oder 715 im Block
schaltbild dargestellt, welche zur Verwendung der Messung der Motor
ströme herangezogen werden können. Die Verbindung 716 dient der
Spannungsversorgung ebenso wie die Verbindung 717 zur Erdung. Die
Verbindungen 716 und 717 dienen somit der Spannungsversorgung, die
auch beispielsweise über eine Batterie erfolgen kann.
Das Steuergerät 650 kann über Steuerströme die Transistoren 704 bis
711 ansteuern, so daß die Motoren 701 bis 703 in zeitlicher Abfolge
nacheinander und gegebenenfalls auch gleichzeitig eingeschaltet werden
können. Durch die Anordnung der Transistoren kann die Drehrichtung der
Motoren gemeinsam oder unabhängig voneinander gesteuert werden.
Durch die Ausgestaltung der Endstufe der Fig. 12 ist jeder Motor ge
trennt ansteuerbar, wobei über eine Stromrückmessung die Belastung des
Motors erfaßbar ist. Weiterhin kann über einen Positionsgeber, wie bei
spielsweise Hallsensor, der Weg-, Geschwindigkeits- und/oder Beschleu
nigungsverlauf eines Elementes zur Betätigung des Kupplungsvorganges,
des Schaltvorganges oder des Wählvorganges detektiert werden. Ist ein
einzelner Motor zur Ausführung der Schaltbewegung vorhanden, können
die Schaltpositionen gelernt und adaptiert werden. Ist weiterhin ein ein
zelner Motor zur Ausführung der Kupplungsbewegung vorhanden, können
die für die Kupplungsbetätigung relevanten Positionen, wie beispielsweise
der Greifpunkt oder die Schnüffelbohrungsposition bei einer hydrostati
schen Kupplungsbetätigung weiterhin gelernt oder adaptiert werden.
Die Fig. 13 zeigt eine Endstufenschaltung 750 nach der Fig. 10, wobei
der Elektromotor 751 in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann.
Daher sind vier Transistoren 752, 753, 754 und 755 notwendig, welche
in H-Schaltung zur Ansteuerung vorgesehen sind. Um den Elektromotor in
Links- bzw. Rechtslauf zu betreiben, werden die diagonal gegenüberlie
genden Transistoren 752 und 754 oder 753 und 755 gleichzeitig geschal
tet. Um den Motor in Kurzschluß zu betreiben, werden zwei gegenüberlie
gende Transistoren gleichzeitig geschaltet, bzw. der eine Transistor wird
geschaltet und es fließt ein Strom bei dem gegenüberliegenden Transistor
über die Rückflußdiode. Mit einem Meßwiderstand 756, 757, der sich
entweder im Motorpfad oder im Massepfad befindet, kann der Span
nungsabfall als analoges Signal abgegriffen und an die Steuereinheit über
geben werden. Durch den Last- bzw. Kurzschlußstrom kann somit der
Betriebszustand des Elektromotors ermittelt werden. Weiterhin kann der
Meßwiderstand 758 Verwendung finden.
Eine Schaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors, beispielsweise eines
Aktors zur Betätigung eines Drehmomentübertragungssystemes, und/oder
zum Schalten oder Wählen eines Getriebes, wie beispielsweise eines Stu
fenwechselgetriebes, das nicht lastschaltbar oder das lastschaltbar ist,
wird in der Fig. 13 schematisch dargestellt. Die Antriebseinheit 751, wie
Elektromotor, kann in beiden Drehrichtungen betrieben werden. Aus die
sem Grund sind vier Transistoren 752 bis 755 in H-Schaltung zur An
steuerung notwendig. Weiterhin sind in der schematischen Darstellung der
Schaltung Meßwiderstände oder andere elektronische Bauelemente zur
Strommessung angeordnet, wobei diese sich im Versorgungspfad (758),
im Motorpfad (756) und/oder im Massepfad (757) befinden. Ein Span
nungssignal kann beispielsweise als analoges Signal abgegriffen oder de
tektiert werden und an die Steuereinheit übergeben werden.
Der Steuereinheit ist der Betriebszustand des Motors (Laststrom oder
Kurzschlußstrom) bekannt, da er von der Steuereinheit vorgegeben wird
oder in direktem Zusammenhang mit der Ansteuerung steht. Eine An
steuerung des Last- bzw. Kurzschlußstromes kann in PWM-Logik an der
Endstufe durchgeführt werden. PWM steht in diesem Zusammenhang für
Pulsweitenmodulation, wobei das Signal zwischen zwei Endwerten, einem
High-Wert und einem Low-Wert alterniert, wobei die Dauer eines High-
Impulses und/oder eines Low-Impluses, die Pulsweite, von der Steuerein
heit vorgegeben werden kann. Die Endstufenlogik kann derart ausgestal
tet sein, daß ein PWM-High-Signal bedeutet, daß der Motorbetrieb einge
schaltet ist und ein PWM-Low-Signal daß der Motor in Kurzschlußbetrieb
betrieben wird. Das PWM-Signal wird von der Steuereinheit vorgegeben.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das von dem Elektromotor abgegebe
ne Drehmoment aus einer Drehmoment-Strom-Kennlinie ermittelt wird,
wobei der Strom ein Eingangswert ist und das von dem Motor abgegebe
ne Drehmoment das ermittelte oder berechnete Signal ist.
Die Bestimmung des Drehmomentes kann über eine solche Kennlinie oder
auch über ein Kennfeld bestimmt werden, bei welchem beispielsweise die
Temperatur des Elektromotors ein weiterer Parameter ist. Das abgegebene
Drehmoment kann beispielsweise auch aus Gleichungssystemen, welche
beispielsweise numerisch gelöst werden können, bestimmt werden.
Bei Verwendung einer temperaturabhängigen Drehmoment-Strom-
Kennlinie oder bei Verwendung eines temperaturabhängigen Berech
nungsmodelles zur Bestimmung des abgegebenen Drehmomentes, ist es
beispielsweise möglich, daß die Temperatur des Elektromotors mittels ei
nes Temperatursensors detektiert wird. Vorteilhaft kann es dabei sein,
wenn der Temperatursensor in der Nähe der Kohlebürsten und/oder des
Ankers des Elektromotors angebracht ist. Das Sensorsignal der Tempera
tur kann anschließend an die Steuereinheit weitergeleitet werden, von
welcher es weiterverarbeitet wird. Der Meßwert des Temperatursensors
kann direkt verarbeitet werden oder anhand eines Temperaturmodelles
kann eine Temperatur eines anderen Bauteiles des Elektromotors be
stimmt werden. Der Temperatursensor kann vorzugsweise gehäusefest
angeordnet werden, wobei mittels eines Temperaturmodelles auch Tem
peraturen von bewegten Motorteilen bestimmt werden können. Die An
bringung eines Temperatursensors kann somit an einem Bauteil erfolgen,
dessen Temperatur zur Berechnung einer Temperatur eines anderen Bau
teiles herangezogen wird.
Die Fig. 14 zeigt einen Aktor 800 mit einem Antriebsmotor 801, einem
Schneckengetriebe mit einer Schnecke 802, einem Schneckenzahnrad
803 sowie einer Schubkurbel 804 sowie einer Kompensationsfeder 805
und einem Druckmittelgeberzylinder 806 zur Ansteuerung eines Drehmo
mentübertragungssystemes 3 oder eines Schalt- oder Wählvorganges ei
nes Getriebes 4.
Innerhalb oder außerhalb des Poltopfes 807 des Elektromotors 801 ist ein
Sensor 808, wie Temperatursensor, angeordnet, welcher die Temperatur
innerhalb oder außerhalb des Elektromotors beispielsweise als Funktion
der Zeit detektiert. Der Temperatursensor kann insbesondere besonders
nahe im Bereich der Bürsten 809 des Elektromotors 801 angeordnet sein,
wobei die Bürsten beispielsweise als Kohlebürsten ausgestaltet sein kön
nen.
Weiterhin kann ein Wegsensor 810 im Bereich des Ausgangselementes,
wie beispielsweise der Schubkurbel, angeordnet sein, wobei der Wegsen
sor 810 über ein Element 811 mit einer Befestigung, wie Anlenkung, 812
mit der Schubkurbel 804 in Wirkverbindung steht. Der Sensor 810 detek
tiert somit die axiale Verlagerung der Schubkurbel 804, welche zumindest
im wesentlichen eine Betätigung eines betätigbaren Elementes, wie bei
spielsweise einer Kupplung oder eines Getriebes repräsentiert.
Zur Berechnung des abgegebenen Drehmomentes des Motors 801 als
auch zur Verhütung von Beschädigung oder Zerstörungen des Aktors auf
grund von Temperaturerhöhungen ist eine Detektion oder eine Berech
nung der Temperatur von zumindest kritischen Teilen des Aktors, bei
spielsweise im Bereich des Elektromotors, zweckmäßig. Eine Tempera
turerhöhung eines Elementes im Bereich des Elektromotors kann aufgrund
der hohen Belastung, wie beispielsweise einer hohen Bestromung des
Elektromotors bereits kurzfristig zu deutlich erhöhten Temperaturen füh
ren. Durch die Temperaturerhöhung können die Bauteile thermisch zu
hoch belastet sein. Weiterhin kann dies beispielsweise zu veränderten Wi
derständen der elektrischen Bauelemente im Bereich des Motors führen,
was zu veränderten Kennlinien des Drehmoment-Strom-Kennfeldes führen
kann.
Bei Elektromotoren können sich bei der Bestromung die Bürsten 809, wie
Kohlebürsten, und/oder deren Halterungen relativ schnell erhitzen. Um
eine Zerstörung dieser Bürsten 809 und/oder deren Halterungen zu ver
hindern, können bei der Kenntnis der Temperatur dieser Elemente die
Steuerung der Steuereinheit daraufhin eingreifen, so daß die thermische
Belastung des Aktors abgesenkt werden kann.
Ist ein Sensor 808 beispielsweise nicht im Bereich der maximalen thermi
schen Belastung angeordnet, sondern in einem davon etwas entfernten
Bereich, so kann eine direkte Detektion aufgrund von thermischen Über
gangswiderständen etwas verzögert sein. In diesem Zusammenhang
spielen auch thermische Reservoirs eine Rolle, die als thermische Zwis
chenspeicher fungieren können, wobei diese schnelle Temperaturände
rungen des kritischen Elementes nicht direkt zu dem Sensor vordringen
lassen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn anhand eines Sensors 808 die Temperatur
eines Elementes detektiert wird und mittels eines Temperaturmodelles die
Temperatur eines kritischen Elementes bestimmt wird.
Der Temperatursensor detektiert eine Temperatur TMESS, wobei als Funkti
on der Zeit ein Temperaturgradient ΔTMESS von der Steuereinheit bestimmt
wird. Weiterhin ist ein Übergangswiderstand R und eine Kapazität C der
Übertragungsstrecke zwischen dem Element, von welchem die Tempera
tur bestimmt werden soll, und dem Element, in welchem die Temperatur
berechnet wird, vorhanden. Weiterhin ist zwischen der Position der De
tektion der Temperatur und der Position für welche die Temperatur be
rechnet wird, ein Energieverlust oder eine Verlustleistung F(PVerlust) vor
handen. Die Temperatur, welche berechnet werden soll, ergibt sich aus
der folgenden Gleichung:
T = TMESS + Δ TMESS *R/C*F(PVerlust).
Der Energieeintrag im Aktor und die resultierende Verlustleistung kann quanti
tativ ermittelt werden. PVerlust = (1 - η)*PZu, wobei PZu = UMittel *I =
(UMittel)²/RSpule ist. Die zugeführte Leistung PZu und die Verlustleistung
PVerlust sind somit von der mittleren Ansteuerspannung UMittel abhängig,
wobei der Spulenwiderstand RSpule als temperaturabhängig angenommen
werden kann.
Der Wirkungsgrad η kann beispielsweise im Vorfeld an einem Prüfstand
empirisch als Funktion der Temperatur ermittelt werden. Die mittlere An
steuerspannung UMittel ist über die PWM-Ansteuerung und die gemessene
Batteriespannung bekannt. Der Strom I kann gemessen werden, oder so
fern keine Strommessung mittels 48808 00070 552 001000280000000200012000285914869700040 0002019723393 00004 48689beispielsweise eines Schaltwiderstandes
vorhanden ist, kann auch der Spulenwiderstand RSpule herangezogen wer
den, wobei dieser allerdings wieder als temperaturabhängig angesehen
werden kann. Bei der Verwendung eines temperaturabhängigen Spulen
widerstandes kann ein implizites Gleichungssystem entstehen, wobei zur
Berechnung der Temperatur ein temperaturabhängiger Spulenwiderstand
verwendet wird.
Detektiert die Steuereinheit anhand des Temperaturmodelles oder anhand
der Sensorwerte eine erhöhte Temperatur eines thermisch belasteten
Bauelementes, so können beispielsweise Steuerverfahren eingeleitet wer
den, welche eine vermindert hohe thermische Tastung des Aktors verur
sachen. Beispielsweise kann eine vermindert häufige Betätigung des Ak
tors resultieren, wenn dies durch die gegebenen Betriebsbedingungen
möglich ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Kupplung
während des normalen Fahrbetriebes vollständig geschlossen wird. Wei
terhin kann ein Anfahren in einem Gang ungleich einem Anfahrgang, wie
beispielsweise dem ersten Gang oder dem zweiten Gang oder dem Rück
wärtsgang, dadurch verhindert werden, daß die Kupplung geöffnet bleibt,
was weiterhin zu einer Reduzierung der thermischen Belastung des Aktors
oder der Kupplung führen kann. Ebenso kann bei einem Anfahren mit ei
ner zu hohen Temperatur an der Kupplung, beispielsweise nach einer ge
wissen Zeitdauer von beispielsweise drei Sekunden einer normalen An
fahrt, die Kupplung bis zur Abwürgeschwelle des Motors geschlossen
werden und bei Erreichen der Abwürgeschwelle der Motordrehzahl die
Kupplung wieder geöffnet werden. Das Schließen der Kupplung drückt die
Motordrehzahl. Wird die Kupplung zu weit geschlossen, wird der Motor
über die Abwürgeschwelle gedrückt und der Motor geht aus.
Aus den Stromverläufen und Drehzahlverläufen, der Versorgungsspannung
sowie den Kenngrößen des Elektromotors, wie beispielsweise des Ankerwi
derstandes bei beispielsweise Raumtemperatur, der Leerlaufdrehzahl, bei
beispielsweise 13 Volt und der Induktivität kann mittels eines regelungstech
nischen Modells des Elektromotors der Ankerwiderstand adaptiert werden.
Aus dem adaptierten Ankerwiderstand kann die Temperatur des Ankers be
stimmt werden. Aus den thermischen Zeitkonstanten des Motors, beispiels
weise aus Übergangswiderständen oder thermischen Kapazitäten, sowie aus
der Umgebungstemperatur des Motors kann auf eine Magnettemperatur des
Motors oder ein Kohlentemperatur geschlossen werden. Damit kann die tem
peraturabhängige Drehmoment-Strom-Kennlinie und daraus das vom Elek
tromotor gegebene Drehmoment als Funktion der Temperatur bestimmt wer
den.
In der Steuereinheit kann ein Temperaturmodell des Elektromotors ständig
oder getaktet oder in Abhängigkeit von gewissen Betriebsparametern berech
net werden, wobei die folgenden Eingangsgrößen hierfür verwendet werden
können: Der Ankerstrom, die Versorgungsspannung, die Drehzahl des Mo
tors, der Betriebszustand des Motors, die Zeit und/oder die Umgebungstem
peratur. Die zufließende elektrische Leistung und die abfließende mechani
sche Leistung können aus den Eingangsgrößen sowie aus den von der ak
tuellen Motortemperatur abhängigen Parametern berechnet werden. Die Diffe
renz zwischen der zugeführten elektrischen Leistung und der abgeführten
mechanischen Leistung ist die Verlustleistung, die im Elektromotor in der Re
gel als Wärme umgesetzt ist. Unter Zuhilfenahme von thermischen Zeitkon
stanten des Elektromotors, wie beispielsweise für die Wärmeableitung der
Wärme vom Anker über die Mantelfläche sowie über die Stirnseiten sowie von
den Bürsten sowie den Eingangsgrößen, kann eine Erwärmung des Elektro
motors und damit eine aktuelle Temperatur von Bauteilen des Elektromotors,
wie beispielsweise der Bürsten oder der Kontakte, berechnet werden. Mittels
dieser neuen Temperatur kann die temperaturabhängige Drehmoment-Strom-
Kennlinie und daraus das vom Elektromotor abgegebene Drehmoment bei
gegebenen Eingangsgrößen bestimmt werden.
Die Kraft, die der elektromotorische Aktor ausübt zum Betätigen des
Drehmomentübertragungssystemes und/oder zum Schalten oder Wählen
des Getriebes, insbesondere zum Einlegen oder Herausnehmen oder
Wechseln von Übersetzungen des Getriebes kann beispielsweise durch
Messungen des Laststromes des Elektromotors unter Zuhilfenahme bei
spielsweise einer Strom-Drehmoment-Kennlinie ermittelt werden. Der
Laststrom kann als Spannungsabfall an einem Innenwiderstand der Span
nungsquelle ermittelt werden. Weiterhin kann der Laststrom auch an ei
nem anderen Meßwiderstand durch einen Spannungsabfall ermittelt wer
den.
Für die Messung des Spannungsabfalls am Innenwiderstand der Span
nungsquelle gelten in der Regel die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei
der Verwendung eines Meßwiderstandes, insbesondere im Massepfad.
Die Versorgungsspannung liegt im allgemeinen als Eingangssignal am
Steuergerät vor, so daß bei Kenntnis des Innenwiderstandes R₁ der Span
nungsquelle der Laststrom IL direkt aus der Differenz der Versorgungs
spannung U₀ ohne Belastung und der Versorgungsspannung UL bei Last
strom berechnet werden kann:
IL = (UNull - UL)/Ri.
Weiterhin kann ein regelungstechnisches Verfahren durchgeführt werden,
welches parallel zu der realen Ansteuerung und der realen Zustandsände
rung, wie beispielsweise Temperaturerhöhungen, mitberechnet werden kann.
Dieses Verfahren, liefert die Zustandsgrößen beispielsweise von Strom
und/oder Drehzahl als Schätzwerte, wobei mittels den Differenzen von den
gemessenen und geschätzten Werten, wie beispielsweise der Drehzahl, Grö
ßen eines modellierten Elektromotors mit einem realen Elektromotor abgegli
chen werden können. Durch das Modell des Elektromotors kann mittels einer
Meßgröße, wie beispielsweise einer Drehzahl, der gesamte Elektromotor in
seinen Größen bestimmt werden. Aus einer Drehzahl kann der Strom und
daraus die Verlustenergie und damit die Temperatur des Motors bestimmt
werden. Das Modell des Motors kann unter Zuhilfenahme der Berechnung
von Größen eine Anwendung von Sensoren vermeiden helfen. Die mittels
des Modelles gewonnenen Daten können zu einer Adaption des Ankerwider
standes des Motors verwendet werden. Eine Adaption des Ankerwiderstandes
des Elektromotors kann beispielsweise aus den zeitabhängigen Verläufen von
dem Strom und der Drehzahl durchgeführt werden, wobei diese Daten ge
messen oder berechnet werden können. Ist der Ankerwiderstand bestimmt,
so kann mittels einer Kennlinie die Temperatur beispielsweise des Ankers
bestimmt werden. Diese Temperatur kann zur Adaption von Größen des
Elektromotors verwendet werden, wenn diese Größen Temperaturabhängig
keiten zeigen. Dadurch kann ein temperaturabhängiges Antriebsmoment des
Elektromotors zur Steuerung oder Regelung realisiert werden.
Ebenso kann mittels eines Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeldes
des Elektromotors und der Drehzahl und der PWM-Spannung das Drehmo
ment des Motors abtriebsseitig berechnet werden. In Kenntnis des aktorseitig
abgegebenen Drehmomentes kann die Betätigungskraft des Aktors zur Betä
tigung des Drehmomentübertragungssystemes und/oder zur Betätigung
des Getriebes bestimmt werden. Weiterhin kann ein Steuerverfahren oder
ein Regelverfahren angewendet werden zur Steuerung oder Regelung der
Betätigungskraft des zumindest einen Aktors, wobei maximale Betäti
gungskräfte in Abhängigkeit des Betätigungsweges nicht überschritten
werden sollten, um ein unkomfortables Verhalten oder um zu starke Be
einträchtigung und/oder Zerstörungen zu erzeugen.
Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Gedanken kann es zweckmäßig
sein, wenn zur Bestimmung der Betätigungskraft des elektromotorischen
Aktors eine Verformung eines elastischen Elementes detektiert wird, wo
bei das elastische Element, dessen Verformung detektiert wird, sich im
Kraftfluß befinden kann. Bei diesem elastischen Element kann es sich um
eine bereits vorhandene Elastizität im Kraftfluß zwischen der Antriebsein
heit und dem Betätigungselement handeln, wobei auch eine zusätzliche
Elastizität in den Kraftfluß eingebracht werden kann. Die Elastizität kann
einer linearen oder nichtlinearen Weg-Kraft-Relation folgen, wobei die Ela
stizität nicht vorgespannt oder vorgespannt sein kann.
Der Aktor, wie er beispielsweise in den vorangehenden Figuren dargestellt
ist, weist eine Antriebseinheit, wie beispielsweise einen Elektromotor, auf,
welcher ein Drehmoment abgibt, das mittels gleichförmiger und/oder un
gleichförmig übersetzender Getriebe in eine Kraft gewandelt wird. Diese
Kraft wird bis zur Wirkstelle, im Bereich des Betätigungselementes, am
Drehmomentübertragungssystem oder im Getriebe geleitet. Durch eine
Verformung eines elastischen Elementes, wie eine Elastizität, das sich im
Kraftfluß befindet und/oder in den Kraftfluß eingebracht wird, kann das
Drehmoment oder die Betätigungskraft ermittelt werden. Weiterhin kann
es möglich sein, daß eine Elastizität derart angeordnet ist, daß dadurch
beispielsweise eine Lagerkraft detektiert werden kann, welche als Reakti
onskraft zu der Betätigungskraft vorhanden ist.
Die Detektion der Verformung eines elastischen Elementes kann kontinu
ierlich durch beispielsweise zumindest einen Wegsensor erfaßt werden
oder diskontinuierlich erfaßt werden, wie beispielsweise durch einen oder
mehrere Schalter, welche so angebracht sind, daß sie ansprechen, wenn
ein definierter Relativweg zurückgelegt ist. Die diskontinuierliche Kraft
messung oder Wegmessung wird also durch das Erfassen von einer bzw.
mehrerer Kraftschwellen ersetzt.
Die Elastizität kann auch derart angeordnet sein, daß sie als abstützendes
Element wirkt, welche bei Überschreitung einer vorgegebenen Abstütz
kraft ausweicht und einer Verformung unterliegt. Durch die Überschrei
tung einer Abstützkraft kann beispielsweise eine Überschreitung einer Be
tätigungskraft detektiert werden.
Die Fig. 14a zeigt einen Ausschnitt eines Aktors, wie beispielsweise des
Aktors 800 der Fig. 14. Die angetriebene Welle 840 wird durch eine An
triebseinheit angetrieben oder ist als Motorwelle ausgestaltet. Die Schnec
ke 802 ist mit der Welle 840 im wesentlichen drehfest aber axial verla
gerbar verbunden. Die Schnecke 802 ist gegenüber den Kraftspeichern
841 und 842 in axialer Richtung verlagerbar, wobei die Kraftspeicher 841
und 842 unter Vorspannung stehen, so daß eine vorgebbare Axialkraft
erreicht oder überschritten sein muß, damit die Schnecke in axialer Rich
tung verlagert wird. Die Schnecke 802 kämmt das Schneckenzahnrad
803, wobei dieses Schneckenzahnrad eine Betätigung eines betätigbaren
Elementes ansteuert. Dem Schneckenzahnrad kann auch ein weiteres
Getriebe, wie beispielsweise ein Kurbelgetriebe, nachgeordnet sein.
Die Antriebseinheit übt auf die Welle 840 ein Antriebsmoment aus, wel
ches einer Gegenkraft von dem betätigbaren Element entgegenwirken
kann. Im Betätigungsweg des betätigbaren Elementes können unter
schiedliche Gegenkräfte auftreten, wie beispielsweise bei einer Synchro
nisierung innerhalb eines Getriebes oder bei einem Einspuren einer Gang
verzahnung innerhalb des Getriebes. Ist die auf die Schnecke 802 in
axialer Richtung wirkende Gegenkraft größer als die Vorspannung der
Kraftspeicher 841 und 842, so wird die Schnecke in axialer Richtung ver
lagert. Die Schnecke 802 weist einen Aufnahmebereich 843 auf, welcher
als Nut oder als Vertiefung ausgebildet ist, in welche ein Element 845
eines Sensors oder Schalters 844 eingreift. Wird die Schnecke in axialer
Richtung verlagert wird das Element 843 betätigt und der Sensor/Schalter
wird betätigt. Die Steuereinheit registriert dieses Signal und wertet dies
derart, daß die Gegenkraft größer ist als ein vorgebbarer Wert, woraufhin
die Steuereinheit ein entsprechendes Verfahren zur Ansteuerung aktivie
ren kann, welches eine geringere Belastung für die Mechanik als auch für
die Antriebseinheit zur Folge haben kann.
Der Sensor kann auch in einer anderen Art und Weise an die Schnecke
angekoppelt sein, um die axiale Verlagerung der Schnecke zu detektieren.
Die Fig. 15 zeigt ein elastisches Element 850, welches beispielsweise in
der Verbindung zwischen dem Aktor und dem Betätigungselement ange
ordnet ist, wobei es beispielsweise derart angeordnet sein kann, daß es
zwischen dem Element 205 und dem Element 301 der Fig. 3 oder zwi
schen dem Element 206 und dem Element 305 der Fig. 3 Verwendung
findet. Weiterhin kann eine solche Elastizität beispielsweise im Kraftfluß
der Anordnung der Fig. 2 angeordnet sein.
Das Element 851 kann beispielsweise antriebsseitig wirkverbunden sein,
wobei das Element 854 beispielsweise abtriebsseitig verbunden ist, so
daß eine Kraftbeaufschlagung der Wirkverbindung von dem Aktor zu dem
Betätigungselement über die Elemente 851 und 854 erfolgt. Das Element
851 weist zwei Schenkel im axialen Endbereich auf, wobei die beiden
Schenkel 852a und 852b voneinander beabstandet sind und eine Lücke
oder ein Freiraum 853 zwischen diesen beiden Schenkeln vorhanden ist.
In diesen Freiraum 853 greift ein Element 854 ein, welches im Bereich
seiner axialen Erstreckung ein Fenster 855 aufweist. Weiterhin weisen die
Schenkel 852a und 852b Aufnahmebereiche 860 auf. Im unbelasteten
Zustand ist ein Kraftspeicher 856 in den Aufnahmebereichen 860 der
Elemente 852a und 852b sowie im Fenster 855 des Elementes 854 auf
genommen. Unter einer axialen Belastung auf Zug oder Schub wird der
Kraftspeicher in axialer Richtung deformiert, so daß eine relative Ver
schiebung der Elemente 854 und 851 erfolgen kann. Im Falle, daß der
Kraftspeicher vorgespannt in die Aufnahmebereiche 855 und 860 aufge
nommen ist, erfolgt eine Verformung des Kraftspeichers 856 erst bei einer
Überschreitung der Beaufschlagungskraft des Kraftspeichers gegenüber
der Vorspannkraft des Kraftspeichers.
Das Element 854 weist in seinem einen Endbereich einen Aufnahmebe
reich 859 auf, welcher einen Tastkopf oder Schalterkopf 858 aufnimmt.
Dieser Tastkopf oder Schalterkopf ist einem Schalter 857 oder Taster zu
geordnet, welcher im Bereich des Elementes 851 angeordnet oder befe
stigt oder eingelassen ist. Bei einer axialen Verschiebung des Elementes
854 gegenüber dem Element 851 wird der Tasterkopf oder Schalterkopf
beaufschlagt, wie beispielsweise betätigt, so daß ein elektronischer
Stromkreis geschaltet werden kann, welcher signalisiert, daß eine axiale
Verschiebung dieser Element 851 und 854 relativ zueinander erfolgt ist.
Bei der Anordnung des Kraftspeichers in vorgespannter Art und Weise ist
eine Kraftschwelle in definierter Art und Weise gesetzt, so daß die Betäti
gung des Schalters erst erfolgt, wenn die Betätigungskraft die Vorspann
kraft des Kraftspeichers überschreitet. Weiterhin kann auch ein berüh
rungsloser Sensor, wie beispielsweise ein Magnet mit einem Hall-Effekt-
Schalter, verwendet werden.
Die Fig. 16 zeigt das Element 850 im Schnitt entlang der Linie II-III, wo
bei die Schenkel 852b und 852a des Elementes 851 zu erkennen ist, so
wie die Randbereiche des Elementes 854 sowie den Aufnahmebereich
855. In den Aufnahmebereichen 855 und 860 ist der Kraftspeicher 856
aufgenommen. Der Kraftspeicher liegt mit seinen axialen Endbereichen an
axialen Endbereichen der Aufnahmebereiche 855 und 860 an, wobei die
Aufnahmebereiche 855 und 860 der Kontur des Kraftspeichers angepaßt
sein können. Weiterhin ist der Sensor, wie beispielsweise Schalter oder
Taster, 857 zu erkennen.
Die Fig. 17 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elastizität in der
Antriebsverbindung zwischen der Antriebseinheit des Aktors und einem
Betätigungselement. Die Antriebsverbindung wird durch eine angetriebene
Walze 900 dargestellt, welche in Umfangsrichtung als auch in axialer
Richtung eine Nut am Umfang aufweist. Diese Nut 901 ist durch die un
terbrochene Linie 902 dargestellt. Wenn die Walze 900 durch eine An
triebseinheit, wie beispielsweise einen Elektromotor, in eine Drehung ver
setzt wird und ein Zapfen 903 in die Nut in radialer Richtung eingreift, so
wird der geführte Zapfen 903 durch die Mitnahme in der Nut 901 betätigt
oder verlagert.
Der Zapfen 903 ist in dem Element 904 beispielsweise mittels der Lager
905 drehbar gelagert.
Das Element 904 ist um die Drehachse 906 sowie um die Stange 907
drehbar geführt. Das Element 908 ist mit der Welle oder Stange 907 dreh
fest verbunden, wobei zwischen dem Element 904 und 908 ein Kraftspei
cher 909 angeordnet ist, welcher in Ausnehmungen der Elemente 904
und 908 aufgenommen ist, wobei bei einer Verlagerung, wie Verdrehung,
des Elementes 904 um die Achse 906 eine Beaufschlagung des Kraftspei
chers 909 erfolgt und somit eine Kraftübertragung oder Drehmomentüber
tragung auf des Element 908 durchgeführt wird.
Der Kraftspeicher 909 kann in den Aufnahmebereiche der Elemente 904
und 908 mit oder ohne Vorspannung aufgenommen sein.
Bei einer Verlagerung des Elementes 904 erfolgt bei einer Aufnahme des
Kraftspeichers mit Vorspannung eine Verlagerung des Elementes 908 di
rekt falls die Kraftbeaufschlagung des Elementes 903 durch das Element
904 nicht größer ist als die Vorspannung des Kraftspeichers multipliziert
mit dem Hebelverhältnis des Angriffes, wobei dieses Hebelverhältnis
gleich dem Abstand des Mittelpunktes des Kraftspeichers 910 zu der
Achse 906 im Vergleich zu dem Abstand des Mittelpunktes 911 des Zap
fens zu dem Abstand 906 ist.
Weiterhin ist ein elektrischer Kontakt 912 in dem Element 908 einge
bracht, welcher erst bei einer Verformung des Kraftspeichers 909 mit ei
nem Kontaktbereich des Elementes 904 in Kontrakt tritt und dadurch ei
nen Stromfluß von dem Element 908 zu dem Element 904 ermöglicht,
wobei somit ein Schalter realisiert ist, welcher durch die Stromzuführung
913 als Sensor mit der Steuereinheit in Signalverbindung stehen kann.
Die Fig. 18 zeigt die Anordnung der Fig. 17 in einem Schnitt, wobei die
Walze 900 mit der Nut 901 dargestellt ist. Der Zapfen 903 greift in die
Nut 901 ein, wobei bei einer Verdrehung der Walze 900 der Zapfen 903
betätigt wird. Zur Reduzierung einer Reibung des Zapfens 903 ist der Zap
fen 903 durch das Lager 905 im Element 904 gelagert. Weiterhin ist der
Kraftspeicher 909 zu erkennen, welcher beispielsweise als Tellerfederpa
ket oder als Druckfeder ausgestaltet sein kann.
Das Element 908 kann beispielsweise über eine Verzahnung mit dem Ele
ment 907 in Wirkverbindung stehen.
Die Fig. 19 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit einer Walze,
wie sie in Fig. 17 dargestellt ist. Die Walze 1000 besteht im wesentli
chen aus zwei Elementen 1001 und 1002. Das Element 1001 ist im we
sentlichen radial innerhalb des Elementes 1002, wobei die beiden Elemen
te durch den Kraftspeicher 1003 in axialer Richtung miteinander ver
spannt sind. Der Einfachheit halber ist in der Fig. 19 nur eine Hälfte der
rotationssymmetrischen Elemente der Walze 1000 dargestellt, wobei die
se Elemente bezüglich der Achse 1004 rotationssymmetrisch angeordnet
sind.
Der Kraftspeicher 1003 ist unter einer Vorspannung zwischen den An
schlägen 1005 und 1006 der Elemente 1001 und 1002 angeordnet, wo
bei dadurch eine axiale Verspannung entsteht. Wird aufgrund einer Betä
tigung eines Zapfens, wie beispielsweise des Zapfens 903 der Fig. 17,
eine Kraftbeaufschlagung des Elementes 1001 im Vergleich zu dem Ele
ment 1002 verursacht, so kann bei einer Überschreitung dieser Kraftbe
aufschlagung im Vergleich zu der Vorspannkraft des Kraftspeichers 1003
eine Verlagerung des Elementes 1002 in axialer Richtung im Vergleich zu
dem Element 1001 erfolgen. Der Sensor 1007 kann dies durch einen Ein
griff des Sensorelementes 1008 in einen Aufnahmebereich 1009 derart
detektieren, daß bei einer Verlagerung des Elementes 1002 in axialer
Richtung das Element 1008 aus dem Aufnahmebereich 1009 entweicht
und somit ein Kontakt, wie elektrischer Kontakt, geöffnet oder geschlos
sen werden kann.
Die Fig. 20 zeigt schematisch eine Sensoranordnung 1100 mit einem Geber
1101 und einem Nehmer 1102. Der Geber ist als Zahnrad ausgebildet, bei
welchem die Zähne 1103 eine abgestufte Zahnhöhe aufweisen. Der Zahn
1103 weist in einem ersten Bereich 1104 eine volle radiale Höhe auf, wobei
der Zahn 1105 ein reduzierte radiale Höhe aufweist. Streicht dieser Zahn
1103 an dem Nehmer 1102 infolge einer Rotationsbewegung vorbei, so de
tektiert der Nehmer 1102 ein Signal in Abhängigkeit der Zahnhöhe. Ein sol
ches Signal ist in der Fig. 21 als Funktion der Zeit t dargestellt, wobei in der
oberen Bildhälfte das Signal Su als Funktion der Zeit dargestellt ist, was be
deutet, daß sich das Element 1101 im Uhrzeigersinn dreht. In der unteren
Bildhälfte ist das Signal Sg als Funktion der Zeit dargestellt, was bedeutet, daß
sich das Element 1101 gegen den Uhrzeigersinn dreht. Man erkennt die Un
terschiede der Signalverläufe Su als Funktion der Zeit und Sg als Funktion der
Zeit. Das Signal Su als Funktion der Zeit steigt von einem minimalen Wert
1106 auf einen mittleren Wert 1107, bevor es den maximalen Wert 1108 er
reicht. Anschließend fällt das Signal vom Wert 1108 auf den Wert 1106 zu
rück, bevor das Signal wieder ansteigt. Das Signal entsprechend einer Dre
hung im Gegenuhrzeigersinn verhält sich demgegenüber anders, insofern das
Signal von einem minimalen Wert 1110 zuerst auf den maximalen Wert 1111
ansteigt, bevor es den mittleren Wert 1112 annimmt. Durch die Ermittlung der
Reihenfolge der Signalsprünge, insbesondere der Reihenfolge der Größen
der Signalsprünge, kann die Drehrichtung des Elementes 1101, wie des Ge
bers, ermittelt werden.
Die Fig. 22 zeigt weiterhin einen Geber 1201 und einen Nehmer 1202 eines
Sensors 1200, wobei die Fig. 23 das Signal S als Funktion der Zeit darstellt,
welches von dem Nehmer 1202 beispielsweise an die Steuereinheit weiterge
leitet wird. Der Nehmer ist als Zahnrad ausgebildet, wobei die Zähne des
Zahnrades gleichförmig und gleichmäßig ausgebildet sind. Aufgrund dieser
Ausgestaltung der Zahnradzähne ist das Signal S als Funktion der Zeit
ebenfalls gleichmäßig, wobei das Signal in beiden Drehrichtungen gleich ist.
Anhand der Signale der Fig. 21 läßt sich sowohl die Drehzahl als auch die
Drehrichtung ermitteln, wobei aus dem Signal der Fig. 23 in erster Linie nur
die Drehzahl ermittelbar ist. Unter Zuhilfenahme von am Motor anliegenden
Spannungen kann jedoch auch eine Drehrichtung erkennbar gemacht wer
den.
Die Fig. 24 zeigt weiterhin einen Geber 1251 und einen Nehmer 1252 eines
Sensors 1250, wobei die Verzahnung des Gebers sägezahnartig ausgebildet
ist. Entsprechend der Ausbildung der Verzahnung sind die Signale Su und Sg
als Funktion der Zeit in der Fig. 25 dargestellt, wobei das Signal Su im zeitli
chen Ablauf spiegelverkehrt zu dem Signal Sg ist, welches für eine Rotation
des Elementes 1251 im Gegenuhrzeigersinn gilt. Durch die Signalformen Su
und Sg läßt sich sowohl die Drehzahl des Elementes 1251 als auch die Dreh
richtung bestimmen.
Die Fig. 26a zeigt einen Sensor 1300, welcher einen Geber 1301 und zwei
Nehmer 1302 und 1303 aufweist.
Die Fig. 26b zeigt diese Darstellung im Schnitt, wobei der Geber 1301 dar
gestellt ist und die beiden Nehmer 1302 und 1303, die im wesentlichen radial
übereinander angeordnet sind. Die Ausbildung der Zähne des Gebers 1301
ist in Umfangsrichtung betrachtet moduliert, das heißt der Zahn 1304 weist
einen Bereich 1305 mit größerer radialer Ausdehnung auf sowie einen Be
reich 1306 mit kleinerer radialer Ausdehnung.
Die Fig. 26c zeigt Signale als Funktion der Zeit, wobei das Signal 1310 das
Signal des Sensors 1302 ist und das Signal 1311 das Signal des Sensors
1303. Aufgrund der Modulation des Signales 1310 im Vergleich zu dem Signal
1311 kann das Signal derart interpretiert werden, daß eine Drehung des Ele
mentes 1301 in Gegenuhrzeigerrichtung erfolgt.
Die Fig. 26d zeigt ebenfalls Signale 1312 und 1313, wobei das Signal 1312
von dem Sensor 1302 entstammt und das Signal 1313 von dem Sensor 1303.
Im Falle einer solchen zeitlichen Abhängigkeit der Signale 1312 und 1313
kann auf eine Drehung des Elementes 1301 im Uhrzeigersinn geschlossen
werden.
Eine Sensoreinrichtung 1300 erlaubt somit eine Bestimmung der Drehzahl
des Elementes 1301 als auch eine Drehrichtungsbestimmung.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn eine drehzahlabhängige Ansteue
rung des Momentes oder der Kraft des Aktors, wie des Elektromotors, durch
geführt wird. Wird die Ansteuerung des Elektromotors mit einem pulsweiten
modulierten Steuerstrom durchgeführt, kann die Reduzierung der Pulsweite in
abhängigkeit der Drehzahl durchgeführt werden, wenn bei einer vorgebbaren
Drehzahl das Antriebsmoment oder die Kraft einen vorgebbaren Wert nicht
überschreiten soll. Die Fig. 27 stellt diesen Sachverhalt in einem Diagramm,
in welchem eine Drehzahl n und ein Strom I als Funktion des Antriebsmomen
tes M dargestellt ist. Die Kurve 1400 entspricht der Drehzahl n als Funktion
von M und die Kurve 1401 dem Strom I als Funktion von M. Übersteigt n ei
nen Grenzwert nG, so ist der Strom kleiner als ein oberer Grenzwert und das
Moment ist ebenfalls im erlaubten Bereich. Unterschreitet n die Grenzdreh
zahl nG steigt der Strom 1402 zu stark an und das Moment wird ebenfalls zu
groß. Durch eine Reduzierung der Pulsweite des Stromsignales kann das
Moment bei reduzierter Drehzahl entsprechend der Kurve 1404 im wesentli
chen auf einen konstanten Wert gesteuert werden.
Die Fig. 28 zeigt ein Diagramm, in welchem die Signale 1450 und 1451 von
zwei Sensoren nach den Fig. 7 und 7a als Funktion der Zeit dargestellt
sind. Die Signale weisen eine Phasenverschiebung auf. Durch die Phasen
verschiebung kann die Drehzahl bestimmt werden. Während das Signal 1451
eine aufsteigende Flanke 1452 aufweist ist das Signal 1450 auf seinen niedri
gen Wert 1453. Diese Konstellation der Signale entspricht beispielsweise ei
ner Drehrichtung im Uhrzeigersinn. Zum Zeitpunkt t₁ findet ein Drehrichtungs
umkehr statt, welche derart detektiert wird, daß bei der aufsteigenden Flanke
1454 das Signal 1450 seinen höheren Wert 1455 aufweist. Somit kann die
Änderung der Drehrichtung zum Zeitpunkt t₂ erkannt werden.
Strommessung/Kraftregelung, -steuerung
Ein Bestandteil des ASG-Konzeptes ist, mittels des Laststromes des Aktors festzustellen, mit welcher
Kraft der Aktor das Schaltgestänge belastet (Kraftregelung, Erkennen eines Anschlags).
Hierzu wird die Drehmoment-Strom-Kennlinie benutzt. Die Fehlerrechnung für die Bestimmung des
Drehmomentes des E-Motors aus dem Laststrom zeigt, daß die Temperaturabhängigkeit der
Kennlinien Einfluß auf den Fehler hat.
Momentensteuerung
Eine weitere Möglichkeit ist, mittels der PWM-Spannung und E-Motordrehzahl das Drehmoment
vorzugeben (Steuerung). Dazu wird das Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeld verwendet. Zur
Erzeugung eines bestimmten Drehmomentes (max. Drehmoment) wird bei niedriger
E-Motortemperatur weniger PWM-Spannung benötigt als bei hoher. Wenn der Temperatureinfluß auf
das Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeld nicht berücksichtigt wird, muß von dem kalten
E-Motor ausgegangen werden. Durch die Vorgabe aufgrund der Kennlinie des kalten Motors wird im
Fall hoher E-Motortemperaturen das Drehmoment um bis zu 45% zu niedrig eingestellt.
Zur Ermittlung der E-Motortemperatur gibt es die Möglichkeiten:
- 1. Messung mit einem Temperatursensor
- 2. Messung mit einem Temperatursensor in Verbindung mit einem Temperaturmodell (derzeitiger
Stand bei EKM),
- 3. Adaption des Ankerwiderstandes mittels eines Parallelmodells des E-Motors,
- 4. Temperaturmodell des E-Motors
- 5. Kombination von 2. und 3. zum Abgleichen des Temperaturmodells
Momentenberechnung ohne Strommessung
Mit Hilfe eines Parallelmodells des E-Motors kann aus den ohnehin zur Verfügung stehenden
Signalen PWM-Spannung und E-Motordrehzahl der Strom als Schätzwert ermittelt werden. Auf die
Messung des Stromes kann dann verzichtet werden. Wichtig bei der Berechnung des Parallelmodells
ist die Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeiten. Zur Berechnung der E-Motortemperatur
(Adaption, Temperaturmodell, Kombination) wird der geschätzte Strom verwendet.
Bei der Schaltungsbetätigung durch den ASG-Aktor darf die maximal zulässige Schaltkraft,
die vom Schaltgestänge des Getriebes vorgeben ist, nicht überschritten werden. Im
Schaltablauf dürfen positionsabhängig bestimmte Betätigungskräfte nicht überschritten
werden, wenn z. B. eine Hinderung der Bewegung eintritt. Im Zusammenwirken mit der
Positionsmessung muß sichergestellt werden, der Schaltungsvorgang fehlerfrei beendet wird
bzw. daß Fehler von der Steuerung als solche erkannt werden und entsprechend reagiert
werden kann. Hierzu muß die Betätigungskraft ermittelt werden.
Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Betätigungskraft besteht in der Messung des
Motorstromes des E-Motors. Die Kraft, die der elektromotorische Aktor ausübt, wird mittels
der (temperaturabhängigen) Strom-Drehmoment-Kennlinie ermittelt:
M=c Φ/ (1)
wobei
Zur Steuerung des Momentes wird das Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeld (6)
verwendet. Durch Vorgabe der PWM-Spannung (3) wird der Strom (5) und das Moment vorab
eingestellt. Für die Spannung am Anker gilt:
UPWM = UBAT %PWM - (RE + 2RB)I (3)
wobei
RE: Widerstand der Endstufe (Transistoren und ggf. Meßwiderstand)
RB: (temperaturabhängiger) Widerstand der Kohlebürsten
Die elektrische Gleichung des E-Motors lautet (stationär):
UPWM = c Φ ω + RAI (4)
wobei
RA: (temperaturabhängiger) Widerstand des Ankers.
Aus (3) und (4) ergibt sich der Strom zu:
Aus (1), (3) und (4) ergibt sich das Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeld:
4.1 Möglichkeiten der Strommessung
Die Schaltung zur Ansteuerung des E-Motors ist in Fig. 13 gezeigt. Der E-Motor wird in beiden
Drehrichtungen betrieben, daher sind vier Transistoren in H-Schaltung zur Ansteuerung
notwendig. Um den E-Motor in Links- bzw. Rechtslauf zu betreiben, werden die diagonal
gegenüberliegenden Transistoren gleichzeitig geschaltet. Um den Motor im Kurzschluß zu
betreiben, werden zwei gegenüberliegende Transistoren gleichzeitig geschaltet bzw. wird ein
Transistor geschaltet und fließt der Strom bei dem gegenüberliegenden Transistor über die
Rückflußdiode.
Mit einem Meßwiderstand, der sich entweder im Motor- oder im Massepfad befinden kann,
wird der Spannungsabfall als analoges Signal abgegriffen und an die Steuerung übergeben
wird. Die Steuerung gibt den Betriebszustand des E-Motors (Last- bzw. Kurzschlußstrom) vor,
daher ist dieser bekannt.
Der Meßwiderstand im Motorpfad bietet bezüglich des Meßergebnisses Vorteile gegenüber
dem Meßwiderstand im Massepfad.
4.2 Besonderheiten der E-Motorstrom-Messung bei PWM-Ansteuerung
Die Schalttransistoren werden mit der PWM-Frequenz von 16 kHz (AFT-Steuergerät)
angesteuert. Mit dieser Frequenz wird der Transistor vom nichtleitenden in leitenden Zustand
und - je nach Tastverhältnis früher oder später - wiederum in nichtleitenden Zustand
umgeschaltet. Wenn das PWM-Signal "high" ist, fließt der Strom über die diagonal
gegenüberliegenden Transistoren. Wenn das PWM-Signal "low" ist, wird der E-Motor in
Kurzschluß geschaltet. Der Strom im E-Motorpfad kann aufgrund der Zeitverzogerung
(elektrische Zeitkonstante des E-Motors) den Spannungssprüngen nicht folgen und stellt sich
auf einen Wert ein, der sich aus dem Tastverhältnis (Mittelwert der PWM-Spannung) und der
E-Motordrehzahl ergibt, siehe Gl.( 5).
Über den Massepfad, in dem der Meßwiderstand angeordnet ist, fließt nur Strom, wenn das
PWM-Signal "high" ist. Nur in diesem Zustand ist also eine Messung des E-Motorstromes im.
Massepfad möglich.
Die Schalttransistoren befinden sich beim Ein- bzw. Ausschalten kurzzeitig in einem
Übergangszustand. Bei sehr kleinem Tastverhältnis, also sehr geringer Pulsbreite, ist das
Verhältnis der Dauer der Übergangszustände zur Pulsbreite groß. Da der im Massepfad
fließende Strom im Übergangszustand der Transistoren nicht gleich dem im Motorpfad
fließenden Strom ist, liefert die Messung des Stromes im Massepfad bei sehr geringeren
Tastverhältnis ungenaue Werte.
5. Kennlinienänderung des E-Motors im Betrieb
Das thermische Verhalten des permanenterregten. Gleichstrommotors wird im wesentlichen
beeinflußt von
- 1. der Änderung des Ankerwiderstandes - Erwärmung durch Verlustleistung (η E-Motor)
- 2. der Änderung des Kohlenwiderstandes - Erwärmung durch Verlustleistung
(Spannungsabfall am Kohlenwiderstand)
- 3. der Änderung des magnetischen Flusses - Erwärmung durch Wärmeableitung vom
Anker.
Jeder dieser Effekte kann durch eine Leistungsbilanz und PT1-Glieder mit den
Zeitkonstanten des jeweiligen Effektes beschrieben werden. Wenn die Wärmeabfuhr über
mehrere Wege erfolgt, sind mehrere PT1-Glieder zur Beschreibung eines Effektes
notwendig. So wird z. B. die Ankerwärme zum Teil auf den Magneten übertragen, ein anderer
Teil wird (drehzahlabhängig) durch Luftreibung der Wicklungen an den Stirnseiten des
Ankers abgeleitet.
- - Die Ankererwärmung führt zu größerem Ankerwiderstand. Dieser führt zu einer Drehung
der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, siehe Fig. 29c
- - Die Kohlenerwärmung führt zu einer Momentenreduzierung, die u. a. vom Verhältnis des
Kohlenwiderstandes zum Ankerwiderstand abhängig ist:
- - Die Erwärmung der Magneten führt zu einer Flußschwächung und damit zu einer Drehung
der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, siehe Fig. 29b.
Die Abhängigkeit der Kennlinien von der Ankerspannung muß berücksichtigt werden, da die
PWM-Spannung (3) im Betrieb unterschiedlich ist.
6. Fehlerrechnungen
6.1 Fehlerrechnung zur Bestimmung der Betätigungskraft aus dem
Motorstrom
Bei der Fehlerrechnung wird nur der Zusammenhang zwischen gemessenem Strom und
Drehmoment des E-Motors betrachtet. Der Einfluß der Übertragungsstrecke vom E-Motor zur
Wirkstelle im Getriebe wird nicht betrachtet.
Der Motorstrom wird als Spannungsabfall an den Meßwiderstand bestimmt:
U₂ = RmessI (8)
Für zufällige Fehler gilt:
Das Drehmoment wird über die Drehmoment-Strom-Kennlinie bestimmt:
M = k ΦI (10)
Für die zufälligen Fehler gilt:
Ursachen der zufälligen Fehler
Das E-Motormoment läßt sich also mit einer Unsicherheit durch
Messung des Stromes bestimmen.
6.2 Fehlerrechnung zur Bestimmung des Drehmoments aus PWM-Spannung
und Drehzahl
Es wird davon ausgegangen, daß die PWM-Spannung nicht mit Fehlern behaftet ist. Für daß
Drehmoment gilt:
Wenn der Temperatureinfluß als zufälliger Fehler gewertet wird, gilt für die Abweichung des
Momentes:
Die größte Abweichung wird sich bei dem Anlaufmoment (ω = 0) ergeben, (siehe auch Bild
2c):
Wenn bei der Vorgabe des durch die PWM-Spannung Momentes (max. Drehmoment darf
nicht überschritten werden) der Temperatureinfluß nicht berücksichtigt wird, wird das Moment
zu niederig eingestellt. Bei Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit
reduziert sich der Fehler
7 Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Drehmoment-
Strom-Kennlinie
Um die Temperaturabhängigkeit der Drehmoment-Strom-Kennlinie zu berücksichtigen, muß
die Temperatur des E-Motors bekannt sein. Zur Ermittlung der Temperatur des E-Motors gibt
es verschiedene Möglichkeiten:
7.1 Messung mit Temperatursensor
Ein Temperatursensor wird in der Nähe der Kohlebürsten angebracht. Aufgrund der
Zeitverzögerungen beim Wärmeübergang durch den dazwischenliegenden Werkstoff reagiert
der Sensor entsprechend träge auf Änderung der zu messenden Kohletemperatur. Die
Erwärmung bei kurzzeitigen Vorgängen kann nicht erfaßt werden. Kritisch für den E-Motor sind
aber insbesondere die kurzzeitigen Einschaltvorgänge mit Anlaufstrom.
Der Temperatursensor ist als Abgleich eines Temperaturmodells, und zum
Erfassen der schnellen thermischen Änderungen im E-Motor geeignet.
7.2 Temperatursensor in Verbindung mit einem Temperaturmodell
Der Meßwert des Temperatursensors wird in Verbindung mit einem Temperaturmodell
ausgewertet.
Als Eingangsgrößen für das Temperaturmodell werden die gemessene Temperatur, deren
Gradient sowie die PWM-Spannung verwendet.
Der derzeitige Stand beim EKM ist, daß die Ankertemperatur mittels des Temperatursensors
erfaßt wird. Für die Kohlen wird ein Temperaturmodell, basierend auf dem Energieeintrag in
den E-Motor, berechnet.
7.3 Adaption des Ankerwiderstandes
Aus den Strom- und Drehzahlverläufen, der Versorgungsspannung sowie den
E-Motorkonstanten Ankerwiderstand bei Raumtemperatur, Leerlaufdrehzahl (bei z. B. 13 V) und
Induktivität wird mittels eines regelungstechnischen Modells des E-Motors der
Ankerwiderstand adaptiert, siehe Fig. 30. Aus dem Ankerwiderstand kann auf die Temperatur
des Ankers und mit den thermischen Zeitkonstanten des Motors und der
Umgebungstemperatur auf die Magnettemperatur geschlossen werden. Damit kann die
temperaturabhängige Drehmoment-Strom-Kennlinie und daraus das vom E-Motor
abgegebene Drehmoment bestimmt werden.
Nach [1] ergibt sich folgende Lösungsmöglichkeit:
Für den Laststrom des E-Motors gilt:
Für den geschätzten Strom î(t)
gilt:
Für den Stromfehler gilt:
e(t) = (t) - i(t) (17)
Nach [1] folgt daraus die Adaptionsgleichung:
A(t) = KI ∫ e(τ)(τ)dτ + ₀ + K₂e(τ)(τ) (18)
Mit den freien Konstanten K₁ und K₂wird die Dynamik des Modells an das reale System
angepaßt.
7.4 Temperaturmodell E-Motor
In der Steuerung wird ein Temperaturmodell des E-Motors laufend mitgerechnet.
Eingangsgrößen hierfür sind: Ankerstrom, Versorgungsspannung, Drehzahl, Betriebszustand
des Motors, Zeit und evtl. die Umgebungstemperatur. Die zufließende elektrische Leistung
und die abfließende mechanische Leistung werden aus den Eingangsgrößen sowie der
aktuellen E-Motortemperatur berechnet. Die Differenz ist die Verlustleistung, die im E-Motor
in Wärme umgesetzt wird. Mit Hilfe der (versuchstechnisch zu bestimmenden) thermischen
Zeitkonstanten des E-Motors (Wärmeableitung vom Anker über die Mantelfläche sowie über
die Stirnseiten, von den Bürsten, usw.) und der Eingangsgrößen wird die Erwärmung des
E-Motors und damit die neue Temperatur berechnet, siehe Fig. 31. Somit kann die:
temperaturabhängige Drehmoment-Strom-Kennlinie und das vom E-Motor abgegebene
Drehmoment bestimmt werden.
Ein Abgleich ist über die Außentemperatur möglich, wenn über längere Zeit kein Betrieb
stattfindet.
7.5 Adaption der Ankertemperatur zum Abgleich des Temperaturmodells
Das unter 7.3 beschriebene Verfahren zur Identifikation des Ankerwiderstandes wird
verwendet, um das unter 7.4 beschriebene Temperaturmodell abzugleichen und so zu
verhindern, daß die Fehler des Modells zu fehlerhaft berechneter Temperatur führen.
Es werden auch die kurzzeitigen Vorgänge erfaßt. Ein zusätzlicher Sensor wird nicht
benötigt.
8. Weitere Möglichkeiten: Berechnung des Motorstromes
Im Folgenden werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie durch Berechnungsansätze der Strom
geschätzt und (im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium) auf die Messung des Stromes
verzichtet werden kann.
8.1 Berechnung des Drehmomentes des E-Motors aus PWM-Spannung und
Drehzahl
Mit Hilfe des stark temperaturabhängigen Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfelds
nach Gl.(6) wird aus der Drehzahl und der PWM-Spannung das Drehmoment berechnet:
Das Tastverhältnis ist außerdem notwendig, um festzustellen, ob der E-Motor gegen Last
arbeitet oder von der Last getrieben wird.
Die ausgeprägte Temperaturabhängigkeit muß kompensiert werden. Der für ein
Temperaturmodell notwendige E-Motorstrom mit (1) oder mit (5) berechnet.
Diese statischen Formeln führen bei dynamischen Vorgängen (Anfahren) zu Fehlern. Ob
diese Fehler hinnehmbar sind, muß noch untersucht werden.
8.2 Berechnung des Stromes mit Hilfe eines dynamischen Modells
Es wird ein regelungstechnisches Modell des E-Motors gebildet, das parallel zum realen
Geschehen in der Steuerung mitberechnet wird, siehe [2]. Das Parallelmodell liefert die
Zustandsgrößen Strom und (nicht verrauschte) Drehzahl als Schätzwerte, siehe Fig. 32.
Da die Parameter des Modells nicht vollständig mit denen des realen Systems
übereinstimmen, ergibt sich für das Modell einen andere Drehzahl als für den realen E-Motor.
Aufgrund dieser Abweichung wird das Modell nachgeführt und die Zustandsgrößen des
Modells an den realen Vorgang angeglichen.
Wie genau die Schätzwerte mit den realen Werten übereinstimmen, hängt davon ab, wie
schnell das Modell nachgeführt wird (und die Fehler abklingen) sowie von der
Übereinstimmung der Modellparameter mit den realen Parametern ab. Mit welchen Fehlern
zu rechnen ist, muß noch untersucht werden. Da sich der E-Motor sehr gut als
regelungstechnisches Modell abbilden läßt, sind die Fehler vermutlich klein.
Für den Gleichstrommotor gilt nach [2]:
Nach [2] werden die Schätzwerte für Drehzahl und Strom mit den Gleichungen berechnet:
Mit den freien Konstanten d₁ und d₂ wird die Dynamik des Modells (Abklingen der Fehler) an
das reale System angepaßt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf die ältere Anmeldung
DE 19 62 2643.0, deren Inhalt ausdrücklich zum Offenbarungsinhalt der
vorliegenden Anmeldung gehört.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvor
schläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die
Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder
Zeichnungen offenbarte Merkmale zu beanspruchen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere
Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des
jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung
eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rück
bezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Die Gegenstände dieser Unteransprüche bilden jedoch auch selbständige
Erfindungen, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden
Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.
Die Erfindung ist auch nicht auf das (die) Ausführungsbeispiel (e) der Beschrei
bung beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abände
rungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente
und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination
oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen
Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und
in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrens
schritten erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen
Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen
führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren
betreffen.