DE19801542A1

DE19801542A1 - Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen einer Verbrennungsmaschine

Info

Publication number: DE19801542A1
Application number: DE1998101542
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Ing Schaefer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 1999-07-22
Also published as: TR199900118A3; TR199900118A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen einer Verbrennungsmaschine gemäß Patent anspruch 1.

Insbesondere bei Kolben-Verbrennungsmaschinen mit einer nied rigen Zylinderzahl und bei Dieselmotoren können vorzugsweise im Leerlaufbetrieb der Betriebsdrehzahl überlagerte höherfre quente Drehschwingungen aufgrund der Ungleichförmigkeit der Drehbewegung der Kurbelwelle auftreten; zur Dämpfung solcher unerwünschten Drehschwingungen sind neben sogenannten passi ven Dämpfungsmitteln auch aktive Drehschwingungsdämpfer, ins besondere gesonderte Elektromotore, bekannt, die derart ange steuert werden, daß sie im Antriebsstrang zu den Drehschwin gungen gegenphasige Wechseldrehmomente zur Kompensation der Drehungleichförmigkeiten erzeugen.

Durch die DE 196 31 384 C1 ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem im Antriebsstrang einer Verbrennungs maschine angeordneten, z. B. auf deren Kurbelwelle angeordne ten, Rotor bekannt, die sowohl die Funktion eines Starter- Generators als auch einer generatorischen Fahrzeugbremse als auch einer Antriebshilfe als auch eines aktiven Schwingungs dämpfers übernehmen soll; als elektrische Maschine sind Dreh feldmaschinen in Asynchron- oder Synchronbauweise vorgesehen, wobei der Rotor als Kurzschlußläufer oder auch mit ausgepräg ten Magnetpolen ausgebildet sein kann.

Gemäß Aufgabe vorliegender Erfindung soll eine schnelle und wirksame Dämpfung von der Betriebsdrehzahl der Verbrennungs maschine, insbesondere in deren Leerlaufbetrieb, überlagerten Drehschwingungen mit Hilfe eines Starter-Generators mit ge ringem Hardware- bzw. Softwareaufwand bei minimaler Belastung der fahrzeugseitigen Energiequellen gewährleistet werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Vorrichtung ge mäß Patentanspruch 1; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

Für die erfindungsgemäße Dämpfung der Drehschwingungen wird ein Motorsteuergerät mitbenutzt, das bei modernen Fahrzeugre gelungen an sich für ein sogenanntes Motormanagement bereits vorhanden ist und insbesondere zur Regelung der Motordreh zahl, insbesondere der Leerlaufdrehzahl, über die Einstellung eines bestimmten Gasvolumens zum Ausgleich von langsamen Drehzahländerungen dient, denen die unerwünschten hochdynami schen bzw. hochfrequenten Drehschwingungen überlagert sind. Durch die Mitbenutzung eines an sich vorhanden Motorsteuerge räts der zuvor beschriebenen Art kann zur Dämpfungsregelung des Starter-Generators auf gesonderte Sensoren für die Dreh zahl und auf gesonderte Vergleicher zwischen Soll- und Ist werten dieser Drehzahl bzw. der zur Einstellung einer be stimmten Drehzahl einzustellenden Momente verzichtet werden. Durch die feldorientierte Regelung einer als elektrischer Teil für den Starter-Generator vorgesehenen Asynchronmaschine ist in vorteilhafter Weise eine schnelle und verlustoptimale Kompensation sowohl im Motor- als auch im Generator-Betrieb der Asynchronmaschine möglich.

In vorteilhafter Weise wird zur Bildung eines Bremsmomentes der Ladestrom zum Nachladen der Fahrzeugbatterie bei der ent sprechenden abdämpfenden Drehmomentenbildung über den Star ter-Generator mitbenutzt.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Figur dar gestellten Regelungsstrukturbildes näher erläutert.

Eine Verbrennungsmaschine VB wird in an sich bekannter Weise von einem Motorsteuergerät ST über einen Momentenregler R_M mit einem bestimmten Gemischvolumen GV im Sinne einer Soll drehzahl n_soll angesteuert. Das von der Verbrennungsmaschine VB abgegebene Moment M_VB führt über ein Integrierglied I zu einer Drehzahl n_ist, die dann einem Vergleicher V in dem Mo torsteuergerät ST zugeführt wird. Das Integrierglied I bildet die Drehzahl ab, die sich unter Berücksichtigung der Träg heitsmomente des Starter-Generators SG und der Verbrennungs maschine VB aufgrund des resultierenden Drehmomentes ergibt. Der z. B. mit seinem Rotor auf der Kurbelwelle der Verbren nungsmaschine VB angeordnete oder mit dieser über eine Kupp lung koppelbare Starter-Generator SG dient bei Stellung eines Schalters S in seine Schaltposition I in bekannter Weise als Anlasser für die Verbrennungsmaschine VB; in diesem Betrieb wird eine Stellgröße i_WS auf den Schalter S und eine entspre chender momentenbildender Wirkstrom i_W auf eine feldorientie rende Regelvorrichtung FOR gegeben.

In bekannter Weise kann der Starter-Generator SG bei abzu bremsendem Fahrzeug oder in Gefällstrecken als von der Ver brennungsmaschine VB angetriebener Generator zur Ladung einer Fahrzeugbatterie dienen, wenn deren Ist-Spannung U_Bist einen bestimmten Spannungssollwert U_Bsoll unterschritten hat.

Nach dem Starten der Verbrennungsmaschine VB über den Star ter-Generator SG wird zum Zwecke der Dämpfung von unerwünsch ten Drehschwingungen der Schalter S in seine Schaltposition II gebracht. Durch den bereits in dem Motorsteuergerät ST vorhandenen Vergleicher V werden nun die Differenzen zwischen dem Drehzahlistwert n_ist und einem drehschwingungsfreien Dreh zahlsollwert n_soll überwacht und die entsprechenden Differenz werte verstärkt durch eine Vorsteuervorrichtung VST in Form eines PD-Reglers als Wirkstrom-Stellgröße i_WN repräsentativ für einen drehschwingungskompensierenden Momentensollwert weitergegeben. Die Momente können sowohl mit positivem als mit negativem Vorzeichen versehen sein; entsprechend diesen Momentenwerten werden entsprechende drehmomentenbildende Wirkströme i_W an die Regelvorrichtung FOR zur feldorientier ten Regelung weitergegeben, die dann zu entsprechenden posi tiven bzw. negativen kompensierenden Drehmomenten des Star ter-Generators SG führen. Beispielsweise wird immer dann ein positives Zusatzmoment durch den Starter-Generator SG gelie fert, wenn die Verbrennungsmaschine im Kompressionszeitpunkt verlangsamt wird, und ein negatives, d. h. bremsendes Zusatz moment durch den Starter-Generator SG abgegeben, wenn die Drehzahl der Verbrennungsmaschine z. B. in ihrem Zündzeitpunkt zu einer Beschleunigung angeregt wird.

Falls die Ist-Spannung der Batterie U_Bist unterhalb des Soll wertes des U_Bsoll der Batterie liegt, wird über einen Batte rieregler R_B in Form eines PI-Reglers ein Stellsignal i_WB im Sinne eines negativen Momentes generiert, dem das Stellsignal i_WN dann überlagert ist.

Um im Generatorbetrieb des Starter-Generators SG mit mög lichst großem Wirkungsgrad und somit mit möglichst geringer Belastung der Energiespeicher bzw. Energieversorger des Fahr zeuges arbeiten zu können, sind die elektrischen Verluste in der für den Starter-Generator SG vorgesehenen Asynchronma schine in vorteilhafter Weise dadurch gering gehalten, daß in der nach dem Prinzip der feldorientierten Vektorstromregelung arbeitenden Regelvorrichtung FOR das innere Moment M der Asynchronmaschine nach dem Prinzip der verlustoptimalen Steuerung bzw. Regelung des Rotorflußes durch entsprechende Adaptierung des Magnetisierungsstroms i'_µ in Abhängigkeit von einem entsprechend dem jeweils geforderten Antriebsmoment er mittelten Wirkstrom i_w eingestellt ist.

Die feldorientierte bzw. rotorflußorientierte Vektorstromre gelung einer Asynchronmaschine ist an sich, z. B. durch das Buch "Steuerverfahren für Drehstrommaschinen" von H. Späth, Springer-Verlag, 1983, bekannt.

Die feldorientierte Steuerung der Asynchronmaschine geht von der mathematischen Beschreibung des dynamischen Maschinenver haltens mit Raumzeigergrößen aus. Feldorientierung bedeutet, daß man die frei wählbare Bezugsachse dieses mathematischen Maschinenmodells bezüglich ihrer Winkellage fest mit dem Ro torflußraumzeiger, dem Statorflußraumzeiger oder dem Luft spaltflußraumzeiger verbindet. Die mathematisch einfachste Maschinenstruktur und damit auch die einfachste Struktur ei ner Steuerung ergeben sich dann, wenn der Rotorflußraumzeiger als Orientierungsgröße gewählt wird. Die Struktur der Maschi ne gleicht dann bei Vorgabe des Ständerstromraumzeigers der einer fremderregten kompensierten Gleichstrommaschine. Die feldorientierte Steuerung der Asynchronmaschine wird dadurch erreicht, daß man die im feldorientierten Koordinatensystem dargestellten Komponenten des Statorstromzeigers der Maschine als Steuer- bzw. Regelgrößen vorgibt. Mittels einer einfachen Entkopplung werden der Betrag des Flußraumzeigers und das in nere Drehmoment unabhängig voneinander steuerbar.

Das innere Drehmoment M ist dann ähnlich wie bei der Regelung einer Gleichstrommaschine bestimmt aus dem Produkt von Wirk strom i_w und adaptiertem Magnetisierungsstrom i'_µ

M = K_l.i_w.i'_µ.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der jeweilige Mag netisierungsstrom i'_µ über einen Frequenzadapter FA derart in Abhängigkeit von der jeweiligen Statorfrequenz f_s des Stator- Generators SG gestellt, daß Verzögerungen durch die Rotor zeitkonstante der Asynchronmaschine kompensierbar sind. Wei terhin ist in vorteilhafter Weise der Magnetisierungsstrom i'_µ über einen ersten Begrenzer B1 in Abhängigkeit von der Drehzahl gestellt, derart daß der Magnetisierungsstrom bei größerer Drehzahl, insbesondere zur Verhinderung einer ther mischen Überlastung bzw. im Sinne eines Feldschwächebetrie bes, begrenzbar ist. Als weitere Schutzmaßnahme ist eine drehzahlabhängige Ladestrombegrenzung des Batterieladestroms mittels eines zweiten Begrenzers B2 vorgesehen.

Claims

1. Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen einer Ver brennungsmaschine

- mit einem Motorsteuergerät (ST) zur Regelung der Motor drehzahl, insbesondere der Leerlaufdrehzahl, über das Ge mischvolumen (GV) der Verbrennungsmaschine (VB) in Ab hängigkeit von deren Betriebs-Drehzahl (n_ist);
- mit einem Starter-Generator (SG) in Form einer Asynchron maschine als Anlasser bzw. Lichtmaschine;
- mit einer Regelvorrichtung (FOR) zur feldorientierten Re gelung der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von der von dem Motorsteuergerät (ST) erfaßten Betriebs-Drehzahl (n_ist) im Sinne einer Dämpfung von höherfrequenten Drehschwingun gen, die der Betriebs-Drehzahl der Verbrennungsmaschine, insbesondere bei deren Leerlauf, überlagert sind;
- mit einer in dem Motorsteuergerät (ST) integrierten Vor steuervorrichtung (VST) für die feldorientierte Regelung der Asynchronmaschine.

2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch

- mit einer Regelung des Momentes des Starter-Generators
M = K_l.i_w.i'_µ
durch getrennte Einstellung seines Magnetisierungsstroms (i'_µ) sowie seines Sollwert-Wirkstromes (i_w) entsprechend einem zur Erzielung einer gewünschten, der Drehschwingung entgegenwirkenden, Soll-Drehzahl (n_soll) notwendigen An triebs-Drehmoment.

3. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden An sprüche

- mit einer Regelung des Momentes (M) des Starter-Generators nach dem Prinzip der verlustoptimalen Adaptierung des Mag netisierungsstromes (i'_µ) in Abhängigkeit von einem ent sprechend dem jeweils für eine bestimmte Soll-Drehzahl (n_soll) des Antriebs-Drehmoments ermittelten Sollwert- Wirkstrom (i_W).

4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden An sprüche

- mit einer bremsmomentbildenden Berücksichtigung der gene ratorischen Batterie-Ladeleistung des Starter-Generators (SG) bei Einstellung des Sollwert-Wirkstromes (i_W) zur Dämpfung der höherfrequenten Drehschwingungen.

5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden An sprüche

- mit einem ersten Begrenzer (B1) zur drehzahlabhängigen Be grenzung des Magnetisierungsstromes (i'_µ).

6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden An sprüche

- mit einer Regelung des Momentes (M) des Starter-Generators (SG) in Abhängigkeit von dessen Statorfrequenz (f_s) im Sinne einer Kompensation von einer durch die Rotorzeitkon stante bedingten Verzögerung des jeweils eingestellten Magnetisierungsstroms (i'_µ).

7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden An sprüche

- mit einem zweiten Begrenzer (B2) zur drehzahlabhängigen Begrenzung des Ladestroms einer vom Starter-Generator (SG) zu ladenden Batterie.