WO2018082902A1 - Verfahren zur bestimmung einer drehwinkelposition einer kurbelwelle einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2018082902A1
WO2018082902A1 PCT/EP2017/076175 EP2017076175W WO2018082902A1 WO 2018082902 A1 WO2018082902 A1 WO 2018082902A1 EP 2017076175 W EP2017076175 W EP 2017076175W WO 2018082902 A1 WO2018082902 A1 WO 2018082902A1
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WO
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phase
rotor
electric machine
rotational
angle position
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PCT/EP2017/076175
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Bastian Reineke
Jonathan Mueller
Wolfgang Fischer
Stefan Grodde
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/009—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents using means for generating position or synchronisation signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24471—Error correction
    • G01D5/24476—Signal processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
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    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/487—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by rotating magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a rotational angular position of a crankshaft, which is coupled to an electric machine, comprising a rotor and a stator with at least one phase winding, directly or translated.
  • the rotational angular position and the rotational speed of the crankshaft of an internal combustion engine are essential input variables for many functions of the electronic engine control.
  • marks may be provided on a body rotating with the crankshaft of the internal combustion engine at equal angular intervals. The passing of a mark as a result of the crankshaft rotation, can be detected by a sensor and passed as an electrical signal to an evaluation electronics.
  • this electronics determines the respective marked signal for the marking or measures a time difference between two markings and can determine the angular velocity and therefrom the rotational speed due to the known angular distance between two markings.
  • the markings can be provided, for example, by teeth of a metal gear, a so-called donor wheel, which cause a change in the magnetic field as a result of their movement in the sensor.
  • a gap of some teeth can serve as a reference mark for the detection of the absolute position.
  • cars usually use 60-2 teeth (uniform distribution of 60 teeth, with two left out), motorcycles and motorcycles, for example, 36-2, 24-2 or 12-3 teeth are used.
  • the resolution of the rotational speed signal or the absolute detection of the rotational angular position is determined by the number of teeth and by a reliable detection of the reference mark.
  • a generator In any modern vehicle with internal combustion engine, a generator is installed, which is driven by the rotation of the crankshaft and provides electrical signals that are used to supply the vehicle with electrical energy and charging the vehicle battery.
  • the intended operation of a vehicle without this generator, is not possible or only for a short time.
  • a phase of the generator is provided as a reference to which a pulsating DC voltage is applied.
  • Such an arrangement can also be used to determine an estimate of the rotational angular position of the rotor of the electric machine and thereby also a rotational angular position of the crankshaft of the internal combustion engine based on the respective phase signals, which are respectively coupled directly or translated.
  • a high-resolution speed determination or a high-resolution determination of the rotational angular position of the crankshaft and the rotor of the electric machine is not realized here.
  • a rotational angular position of a shaft preferably a crankshaft of an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine of a motorcycle, which with an electric machine comprising a rotor and a stator with at least one phase winding directly or translated, but with a fixed angular relation between the rotor electric machine and the crankshaft of the internal combustion engine, is used from at least one phase signal of the electric machine having at least one value, which occurs at least once per revolution of the rotor of the electric machine, for determining the rotational angular position of the rotor, wherein the rotational angular position the crankshaft is calculated from the angular position of the rotor and a further angular offset.
  • the shaft can also be the shaft of the rotor, which is rotatably coupled to the rotor.
  • the rotational angle position of the crankshaft can be deduced when the rotational angular position of the rotor is known.
  • the exact rotational position of the rotor is read from an unloaded electrical machine directly from the open circuit voltage of the electric machine, since the relative phase position of the open circuit voltage coincides with the rotational angular position of the rotor.
  • control functions such. As the position calculation of the injection, torque calculation or learning functions for accurately determining the TDC position and the like, can be significantly improved.
  • the phase signals can be obtained in various ways. Possible, for example, a consideration of the phase voltages against each other, a consideration of the phase voltages across the diodes of a connected rectifier against the potential of the output terminals, if the stator of the electric machine in star connection with tappable star point, a consideration of the output voltage of the strands against the neutral point or a comparable Evaluation of the phase currents.
  • the values have rising edges of the phase signal and falling edges of the phase signal, or are correspondingly correlated with the rising edges of the phase signal and the falling edges of the phase signal, wherein the rising edges of the phase signal and / or the falling edges of the phase signal used to determine the angular position of the rotor become.
  • Such flanks of the phase signal can be used in principle for a particularly simple determination of the occurrence of a characteristic value or a threshold of the phase signal, since these are particularly easy to detect in the course of a phase signal by means of a corresponding circuit.
  • Such a circuit can be determined in particular in the form of a so-called Schmitt trigger.
  • a rising edge and a falling edge of one of the phase signals define an angular range of the rotor which is swept by it within a time range.
  • This angle range or angle increment can therefore be detected upon detection of an ascending and / or a falling edge of the phase signal.
  • the accuracy of a rotational angular position of the crankshaft can be increased accordingly.
  • at least one of the phase voltage signals of the stator-side phases or at least one phase-current signal can be used to determine the rotational-angle position.
  • the pole wheel angle angle offset is determined by a relation which has a constant and an inverse proportionality to the rotational speed of the electric machine.
  • the electric machine has a controller for regulating the vehicle electrical system voltage, in particular the battery voltage, wherein the controller is operated such that the angular offset is always inversely proportional to the rotational speed of the electric machine.
  • a controller in particular a voltage regulator for a battery, which may be connected in parallel with the battery, is hereby regulated in particular in the linear operating range.
  • an actuator in particular a power transistor can be used which operates in the triode region.
  • an output voltage (rectified phase voltages) can be provided, which is adjusted almost constant with respect to the battery voltage or the voltage of the electrical system.
  • the win Offset between output voltage and output current at the rectifier disappears in a first approximation, since the phases downstream rectifier in combination with a larger energy storage in the electrical system, such as a motor vehicle battery, acts approximately as a resistive load.
  • the angular offset or the rotor angle can be approximated by a constant and a term which is inversely proportional to the rotational speed of the electric machine. This results in a significantly simplified determination of the angular offset or the Polradwinkels, which allows an even more accurate determination of the rotational angular position of the crankshaft.
  • the rotational speed of the electric machine is determined from a time difference between at least two of the occurrence times of the values of the phase signal.
  • the speed can be determined directly from the phase signals of the electric machine, which are present anyway.
  • the rotational angular position of the crankshaft is calculated by adding the rotational angular position of the rotor and the angular offset.
  • the actual rotational angular position of the crankshaft by a simple determination of the rotational angular position of the rotor from the phase signals and the angular displacement or the Polradwinkel determined in the manner described above, can be calculated in a particularly simple manner, without the use of additional sensors or sensors Use of a sensor wheel is required.
  • an existing rotational angle position measurement by means of a transmitter wheel and a sensor can be supported and the resolution can be correspondingly improved.
  • the phase signal (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) is generated by a plurality of magnetic exciters of the electrical machine (30), wherein one of the magnetic exciter is operated differently from the rest of the pathogens, the phase signal (Uu, Uv, Uw, Iu, Iv, Iw) generated by this one exciter assumes a value deviating from the other phase signals of the other excitation.
  • a fixed reference position can thereby be determined in order to determine the rotational angle position of the rotor and, therefrom, the rotational angular position of the crankshaft of the internal combustion engine.
  • phase signals of the electric machine are processed by means of an electronic circuit, in particular an engine control unit.
  • an electronic circuit in particular an engine control unit.
  • the rotational angle position of the crankshaft is used to control the internal combustion engine.
  • a detection and processing of the phase signals of the electric machine by the engine control unit, and a corresponding determination of the rotational angular position of the crankshaft from the rotational angular position of the rotor and the angular displacement, can be used in accordance with the control of the ignition timing or the torque of the internal combustion engine in the control unit of the internal combustion engine controls the engine anyway.
  • the used arithmetic unit which is preferably designed as a motor control device for the internal combustion engine, a corresponding integrated circuit and / or stored on a memory computer program, which are adapted to carry out the method steps described above.
  • a computer program which is preferably stored on a data medium, in particular a memory in the form of software, and is available in the arithmetic unit for executing the method or the provision of an integrated circuit, in particular an ASIC, is advantageous because this causes very low costs, esp. when an executive controller is still used for other tasks, and therefore exists anyway.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, as are frequently known from the prior art.
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 1 show a schematic representation of a coupled to an internal combustion engine electric machine (a, b), and the associated signal waveforms (c);
  • FIGS. 4a and 4b schematically shows an electric machine, with the corresponding associated phase signals
  • FIG. 1 shows a regulator circuit which is downstream of a rectifier of an electric machine and is adapted to control the battery voltage
  • FIG. 1 schematically shows a transmitter wheel 20 and an associated inductive sensor 10, as used in the prior art for speed determination or for determining the approximate rotational angle position of the crankshaft.
  • the encoder wheel 20 is fixedly connected to a crankshaft of an internal combustion engine and the sensor 10 is fixedly mounted at a suitable location.
  • the encoder wheel 20 usually made of a ferromagnetic material, has teeth 22 which are arranged on the outside at a distance 21 between two teeth 22. At a location on the outside, the sender wheel 20 has a gap 23 in the length of a predetermined number of teeth. This gap 23 serves as a reference mark for detecting an absolute position of the encoder wheel 20th
  • the sensor 10 has a bar magnet to which a soft magnetic pole pin is attached. The pole pin in turn is surrounded by an induction coil 13. Upon rotation of the encoder wheel teeth run alternately 22 and see between each two teeth lying voids on the induction coil 13 of
  • the angular velocity and, moreover, also the corresponding angular position of the crankshaft can be approximately calculated.
  • the induced signal in the induction coil has a different course than in the otherwise alternate with empty spaces teeth 22. In this way, an absolute position marker, but only with respect to a full crankshaft revolution, possible.
  • FIG. 2 a shows an internal combustion engine 112, to which an electric machine 30 is connected directly or in translation, wherein the electric machine 30 is driven by the crankshaft 17 'of the internal combustion engine 112.
  • the rotational speed nGen of the electric machine 130 and the rotational speed ⁇ of the crankshaft 17 'and the angular position oti of the rotor of the electric machine 30 and the rotational angular position ⁇ of the crankshaft 17' have a fixed relationship to each other.
  • the electrical machine 30 is also associated with a charge controller LR, which supplies the battery B within the electrical system 110, according to the remaining capacity of the battery B, with energy.
  • an arithmetic unit in particular an engine control unit 122 is provided, which exchanges data via a communication link 124 with the electric machine 30 or with the internal combustion engine 112 and is adapted to control the internal combustion engine 112 and the electric machine 30 accordingly.
  • the electric machine 30 is shown schematically again in an enlarged form.
  • the electric machine 30 has a shaft 17 having a rotor 32 with a field winding and a stator 33 with stator winding. It is therefore a foreign-excited machine, as is customary especially in motor vehicles.
  • motors are usually used with permanent magnets, ie permanent-magnet electric machine.
  • both types of electric machines can be used within the scope of the invention, wherein in particular the method according to the invention does not depend on the use of the respective type of electric machine - permanently excited electric machine or externally excited electric machine.
  • the electric machine 30 is designed as an alternator, in which three phase voltage signals phase-shifted relative to one another by 120 ° are induced.
  • Such three-phase generators are commonly used as generators in modern motor vehicles and are suitable for carrying out a method according to the invention.
  • basically all electric machines can be used independently of the number of their phases, wherein in particular the method according to the invention does not depend on the use of the respective type of electrical machine.
  • the three phases of the alternator 30 are designated U, V, W. About trained as plus diodes 34 and minus diodes 35 rectifying element, the voltage dropping across the phases are rectified. Between the poles B + and B- there is thus a generator voltage UG at which the negative pole is grounded. From such a three-phase generator 30, for example, a battery B or other consumers within the electrical system 110 are supplied.
  • FIG. 2c shows three diagrams which show the associated voltage profiles with respect to the angle of rotation of the rotor 32 of the electric machine 30 demonstrate.
  • the upper diagram shows the voltage curves at phases U, V, W and the corresponding phase voltage UP. It is generally understood that the numbers and ranges of values given in this diagram and in the subsequent diagrams are merely exemplary, and therefore do not limit the invention in principle.
  • the generator voltage UG which is formed by the envelopes of the positive and negative half-waves of the voltage waveforms U, V, W, shown.
  • the bottom diagram shows the rectified generator voltage UG (see FIG. 2a), together with the effective value UGeff of this generator voltage UG-, which are present between B + and B-.
  • FIG. 3 schematically shows the stator 33 with the phases U, V, W and the plus diodes 34 and negative diodes 35 from FIG. 2a.
  • the rectifier elements shown here in the form of positive diodes 34 and negative diodes 35 in the case of an active rectifier can also be designed as transistors, in particular MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor) (not shown).
  • MOSFETs metal oxide semiconductor field effect transistor
  • Uu, Uv, Uw denote the phase voltages of the associated phases U, V, W, as they fall between an outer conductor and the neutral point of the stator 33.
  • Uuv, Uvw, Uwu denote the voltages between two phases or their associated outer conductors.
  • lu, lv, lw denote the phase currents from the respective outer conductor of a phase U, V, W to the neutral point. I denotes the total current of all phases after rectification.
  • the course of the phase voltages Uu, Uv, Uw is rectangular in the first approximation. This is explained in particular by the fact that either the plus or the minus diodes conduct in the direction of flow through the generator voltage, and therefore either approximately 15-16 volts (battery charging voltage at 12V lead-acid accumulator and voltage at plus diodes), or minus 0.7-1 Volt (voltage to negative diodes) is measured. Reference potential of the measurement is in each case mass. Other reference potentials such as the star point of the stator can also be selected. However, these deviate waveforms do not change the evaluable information, their extraction and evaluation.
  • the phase signals (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) can be obtained in various ways. Possible, for example, a determination of the phase voltages against each other (Uuv, Uuw, Uwu), a determination of the phase voltages across the diodes of a connected rectifier against its output terminals ( ⁇ +, B-), if the stator of the electric machine is in star connection with tappable star point, a consideration of the output voltage of the strings against the neutral point (Uu, Uv, Uw) or a comparable evaluation of the phase currents.
  • the voltage signals are transmitted by six magnets (in particular permanent magnets). magnets), the so-called pole pairs, repeated six times. Accordingly, six falling edges FLD and six rising edges FLu (for the respective phases FLuu, FLvu, FLwu and FLUD, FLVD, FLWD) occur per phase, ie per phase voltage Uu, Uv, Uw per revolution of the rotor 32.
  • flanks define an angular section, namely exactly the angular section which is covered by the magnets along the radial circumference of the stator. Accordingly, upon detection of the respective flanks FLu, or FLD, knowledge of an absolute reference point per revolution, which is characterized, for example, by means of a reference magnet with a characteristic deviating from the other magnets of the phase voltage Uu, Uv, Uw, can be determined.
  • a TTL signal can be generated for each phase voltage by means of a so-called Schmitt trigger and transmitted to a control unit.
  • the required Schmitt triggers can either be integrated in the control unit or in the control electronics, for example a control unit, a controller for the battery voltage and / or in the case of an active rectifier, in the respective generator controller or externally assigned to this.
  • the individual TTL signals can, in particular for the case of the use of a control device, in particular a motor control device 122 (see FIG. 2a), be suitably combined via one line in each case, or by an upstream combination electronics or other, via only one data line 124 (cf. 2a) are transmitted.
  • the ends of the respective falling edges of the phase voltage Uu, Uv, Uw are respectively assigned values Wu, Wv, Ww, which are also referred to as Wud, Wvd, Wwd.
  • corresponding values Wu u , Wv u , Wwu can also be assigned to the rising edges FLu.
  • These values can be used to detect a rotational angle position oti of the rotor 32 or an angle increment determined by the pole pairs of the stator 33. A recognition of the rotational angle position oti of the rotor 32 on the basis of the plateau regions of the phase signals or other regions between them is also possible.
  • the values can also be used to determine the speed of the generator based on time differences Ati, ⁇ .2, ⁇ 3.
  • the rising flanks can also be used to determine the rotational angle position oti of the rotor 32 and to determine the instantaneous rotational speed nGen of the electric machine 30.
  • the edges of the phases can be evaluated in a variety of other ways, for example by the time intervals of the rising edges FLu and falling edges FLD each of the same phases or from the respective phases to each other or by the time interval of rising edges FLu or falling Flanks fld the same phase, or all phases together.
  • the zero crossings of the phase signals Uu, Uv, Uw can also be used for an improved resolution of the determination of the rotational angle position oti of the rotor 32 or a rotational speed detection nGen.
  • the actual rotational position oti of the rotor 32 and its shaft 17 and thus the rotational angular position ⁇ of the crankshaft 17 ' can be derived from the electrical see signals of the electric machine 30, in particular the phase signals Uu, Uv, Uw, or the associated phase currents lu, lv, lw determine only with insufficient accuracy, since in the case of a loaded electrical machine 30 due to the current flow, it is a systematic error in Shape of an angular offset between the phase position of the phase signals Uu,
  • FIG. 5a shows a schematic illustration of a simplified single-phase equivalent circuit diagram of an electrical machine
  • FIG. 5b shows the relationship between the individual voltages or currents and their relative phase offset to one another in a phasor diagram.
  • the findings obtained from this single-phase equivalent circuit diagram can in principle also be applied to a multi-phase electric machine, as shown, for example, in the preceding description. From the single-phase equivalent circuit diagram of the electrical machine from FIG. 5 a) and the associated phasor diagram shown in FIG.
  • a voltage equation for a loaded electrical machine can be derived, which reads as follows: wherein U of the output voltage of the electric machine 30, UP the open circuit voltage of the electric machine without load and I * jX the voltage drop Ux, which falls due to the current flow through the electric machine and due to the reactance X of the electric machine in the generator corresponds.
  • the no-load voltage UP of the electric machine 30 corresponds to the ideal induced voltage corresponding to the rotational angle position oti of the rotor 32 with respect to the phase.
  • corresponding to the angular offset ⁇ which corresponds to the Polradwinkel, equal to zero.
  • the phase relationship of the open circuit voltage UP exactly mirrors the geometric motion of the rotor 32 again and thus indicates its exact angular position - in the unloaded state of the electric machine 30 - to.
  • the output voltage U of the loaded generator 30 lags behind the induced open circuit voltage UP with respect to its phase, wherein the angular offset between U and UP results from the angular offset ⁇ , the so-called rotor angle , This is basically not dependent on the coil current I and without knowing the coil current I calculable without further notice.
  • the open-circuit voltage UP is basically proportional to the speed nGen of the electric machine 30.
  • the angular offset ⁇ in a first approximation even without knowledge of the current flow I can be estimated with sufficient accuracy, which is a very reliable determination of the angular displacement ⁇ between the phase of the phase voltages Uu, Uv, Uw and the actual rotational angular position oti of the rotor 32 permits. Accordingly, a rotational angle position aphase of the rotor 32 determined from the phase voltages Uu, Uv, Uw can be corrected correspondingly by the angular offset ⁇ , which depends on the respective rotational speed nGen.
  • the actual angular position oti can be determined by: ⁇ ⁇ aphase + ⁇ in a particularly good approximation ,
  • FIG. 7 the previously designated relation between the angle ⁇ and the rotational speed nGen is plotted.
  • These data can be stored, for example, in the form of a characteristic diagram in a respective control device 122 and the actual rotational angular position oti of the rotor 32 and thus rotational angular position ot of the crankshaft 17 'of the internal combustion engine 112 can be determined with significantly improved accuracy.
  • the angular offset ⁇ or the pole wheel angle over the edge time is indicated in FIG. 8, wherein the edge time designates the characteristic time ranges of the rising and falling edges FLu and FLü of the phase voltages Uu, Uv, Uw (compare, for example, FIG.
  • the course of the angular offset ⁇ or of the rotor angle can be approximated accordingly by a straight line with a negative slope.
  • the stated value ranges are merely illustrative and are not intended to limit the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition (α,αι) einer Welle (17), insbesondere einer Kurbelwelle (17') einer Brennkraftmaschine (112), welche mit einer elektrischen Maschine (30), umfassend einen Rotor (32) und einen Stator (33), mit zumindest einer Phasenwicklung (U, V, W), direkt oder übersetzt gekoppelt ist, wobei zumindest ein Phasensignal (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) der elektrischen Maschine (30) zumindest einen Wert (WUu, WUd, WVu, WVd, WWu, WWd) aufweist, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors (32) auftritt, wobei ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts (WUu, WUd, WVu, WVd, WWu, WWd), zur Bestimmung einer Drehwinkellage (αPhase) des Rotors (32) genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelposition (α,α1) der Welle aus der Drehwinkellage (αPhase) des Rotors (32) und einem Winkelversatz (θ) berechnet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Recheneinheit, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Kurbelwelle, welche mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator mit zumindest einer Phasenwicklung, direkt oder übersetzt gekoppelt ist.
Stand der Technik
Die Drehwinkelposition und die Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sind wesentliche Eingangsgrößen für viele Funktionen der elektronischen Motorsteuerung. Zu ihrer Ermittlung, können auf einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine rotierenden Körper in gleichen Winkelabständen Markierungen vorgesehen sein. Das Vorbeistreichen einer Markierung infolge der Kurbelwellendrehung, kann durch einen Sensor erfasst und als elektrisches Signal an eine Auswertelektronik weitergegeben werden.
Diese Elektronik bestimmt für die jeweilige Drehwinkelposition der Kurbelwelle, das jeweils hierfür hinterlegte Signal für die Markierung bzw. misst eine Zeitdifferenz zwischen zwei Markierungen und kann aufgrund des bekannten Winkelabstands zweier Markierungen zueinander, die Winkelgeschwindigkeit und daraus die Drehzahl ermitteln. Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Motorrädern, Mopeds oder Krafträdern, können die Markierungen beispielweise durch Zähne eines metallischen Zahnrads, eines sogenannten Geberrads, bereitgestellt werden, welche durch ihre Bewegung in dem Sensor eine Änderung des Magnetfelds bewirken. Eine Lücke von einigen Zähnen kann als Bezugsmarke zur Erkennung der absoluten Position dienen. Während bei Pkws zumeist 60-2 Zähne verwendet werden (gleichmäßige Verteilung von 60 Zähnen, wobei zwei ausgespart bleiben), kommt bei Motor- bzw. Krafträdern beispielweise auch 36-2, 24-2 oder 12-3 Zähne zum Einsatz. Bei diesem indirekten Prinzip der Drehgeschwindigkeitsbestimmung bzw. Drehwinkelpositionsbestimmung der Kurbelwelle, wird die Auflösung des Drehzahlsignals bzw. die absolute Erfassung der Drehwinkelposition durch die Anzahl der Zähne und durch eine sichere Erkennung der Bezugsmarke bestimmt.
Bei jedem modernen Fahrzeug mit Brennkraftmaschine, ist ein Generator verbaut, der durch die Drehung der Kurbelwelle angetrieben wird und elektrische Signale liefert, die zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und dem Aufladen der Fahrzeugbatterie dienen. Der vorgesehene Betrieb eines Fahrzeugs ohne diesen Generator, ist nicht oder nur für kurze Zeit möglich.
Eine Nutzung der elektrischen Ausgangsgrößen einer über die Kurbelwelle angetriebenen elektrischen Maschine (Generator), wird beispielweise in der EP 0 664 887 Bl zur Drehzahlbestimmung verwendet. Hierzu wird eine Phase des Generators als Referenz zur Verfügung gestellt, an welcher eine pulsierende Gleichspannung anliegt. Eine derartige Anordnung kann zudem dafür herangezogen werden, anhand der jeweiligen Phasensignale auch eine Abschätzung der Drehwinkelposition des Rotors der elektrischen Maschine und dadurch auch eine Drehwinkelposition der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu ermitteln, die jeweils direkt oder übersetzt miteinander gekoppelt sind. Eine hochaufgelöste Drehzahlbestimmung bzw. eine hochaufgelöste Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle bzw. des Rotors der elektrischen Maschine, ist hierbei jedoch nicht realisiert.
Es wäre daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, auch ohne den Einsatz zusätzlicher Bauteile eine hochaufgelöste Drehwinkelposition des Rotors der elektrischen Maschine bzw. der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, die zur Steuerung einer Brennkraftmaschine verwendbar ist, zu erhalten. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Bei einem Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Welle, vorzugsweise einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftrades, welche mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator mit zumindest einer Phasenwicklung direkt oder übersetzt, jedoch mit fester Winkelrelation zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, gekoppelt ist, wird aus zumindest einem Phasensignal der elektrischen Maschine, das zumindest einen Wert aufweist, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors der elektrischen Maschine auftritt, zur Bestimmung der Drehwinkellage des Rotors genutzt, wobei die Drehwinkelposition der Kurbelwelle aus der Drehwinkellage des Rotors und einem weiteren Winkelversatz berechnet wird. Grundsätzlich kann die Welle auch die Welle des Rotors sein, die mit dem Rotor drehfest gekoppelt ist.
Aufgrund der festen Kopplung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und des Rotors der elektrischen Maschine, kann bei Kenntnis der Drehwinkellage des Rotors auf die Drehwinkelposition der Kurbelwelle rückgeschlossen werden. Die exakte Drehwinkellage des Rotors ist aus einer unbelasteten elektrischen Maschine direkt aus der Leerlaufspannung der elektrischen Maschine ablesbar, da die relative Phasenlage der Leerlaufspannung mit der Drehwinkellage des Rotors übereinstimmt.
Diese Relation gilt jedoch für eine belastete elektrische Maschine nicht, da es aufgrund des Stromflusses zu einer Verschiebung der Phasenlage kommt und entsprechend die Ausgangsspannung der elektrischen Maschine, die der Phasenspannung zumindest einer Phase der elektrischen Maschine entspricht, nicht mehr mit der der Drehwinkellage des Rotors übereinstimmt. Dieser Versatz der Winkellage zwischen der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine und der tatsächlichen Winkellage des Rotors der elektrischen Maschine, wird gemeinhin als Polradwinkel bezeichnet.
Somit kann durch eine Bestimmung der Drehwinkellage des Rotors und durch eine entsprechende Korrektur der Drehwinkellage durch den Winkelversatz des Polradwinkels eine Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle mit verbesserter Genauigkeit und somit höherer Güte bereitgestellt werden.
Folglich lässt sich direkt aus den internen Signalen der elektrischen Maschine, eine hochaufgelöste Bestimmung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle bereitstellen, wodurch auf ein entsprechendes Geberrad zur Ermittlung der Drehwinkelposition bzw. der Drehzahl und der hiermit verbundenen Sensorik verzichtet werden kann. Hierdurch können Kosten eingespart werden, was insbesondere in
Bezug auf günstigere Mopeds bzw. Leichtkrafträder von Vorteil ist. Zudem können die Steuerfunktionen, wie z. B. die Positionsberechnung der Einspritzung, Momentenberechnung bzw. Lernfunktionen zum genauen Bestimmen der OT- Lage und dergleichen, deutlich verbessert werden.
Die Phasensignale können auf verschiedene Weise gewonnen werden. Möglich ist beispielsweise eine Betrachtung der Phasenspannungen gegeneinander, eine Betrachtung der Phasenspannungen über die Dioden eines angeschlossenen Gleichrichters gegen dessen Potential der Ausgangsklemmen, sofern der Stator der elektrischen Maschine in Sternschaltung mit abgreifbarem Sternpunkt ist, eine Betrachtung der Ausgangsspannung der Stränge gegen den Sternpunkt oder eine vergleichbare Auswertung der Phasenströme.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, weisen die Werte aufsteigende Flanken des Phasensignals und abfallende Flanken des Phasensignals auf, bzw. sind entsprechend mit den aufsteigenden Flanken des Phasensignals und den abfallenden Flanken des Phasensignals korreliert, wobei die aufsteigenden Flanken des Phasensignals und/oder die abfallenden Flanken des Phasensignals zur Bestimmung der Drehwinkellage des Rotors herangezogen werden. Derartige Flanken des Phasensignals können grundsätzlich für eine besonders einfache Ermittlung des Auftretens eines charakteristischen Werts bzw. einer Schwelle des Phasensignals herangezogen werden, da diese besonders einfach im Verlauf eines Phasensignals mittels einer entsprechenden Schaltung erkennbar sind. Eine derartige Schaltung kann insbesondere in Form eines sogenannten Schmitt-Triggers ermittelt werden. Somit begrenzen eine aufsteigende Flanke und eine absteigende Flanke eines der Phasensignale einen Winkelbereich des Rotors, der von diesem innerhalb eines Zeitbereichs überstrichen wird. Dieser Winkelbereich bzw. dieses Winkelinkrement kann daher beim Erkennen einer aufsteigenden und/oder einer abfallenden Flanke des Phasensignals erkannt werden. Durch ein Heranziehen sowohl einer aufsteigenden Flanke und einer abfallenden Flanke desselben Phasensignals und/oder von aufsteigenden Flanken und/oder abfallenden Flanken unterschiedlicher Phasensignale, insbesondere direkt zeitlich benachbarter Phasensignale, kann die Genauigkeit einer Drehwinkelpositionsbestimmung der Kurbelwelle entsprechend erhöht werden. Es ist weiter bevorzugt, dass für eine Ermittlung der Drehwinkelposition sowohl zumindest eines der Phasenspannungssignale der statorseitigen Phasen bzw. zumindest ein Phasenstromsignal herangezogen werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Polradwinkel bedingte Winkelversatz anhand einer Relation ermittelt, die eine Konstante und eine inverse Proportionalität zur Drehzahl der elektrischen Maschine aufweist. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass die elektrische Maschine einen Regler zur Regelung der Bordnetzspannung, insbesondere der Batteriespannung, aufweist, wobei der Regler derart betrieben wird, dass der Winkelversatz stets invers proportional zur Drehzahl der elektrischen Maschine ist. Ein derartiger Regler, insbesondere ein Spannungsregler für eine Batterie, der zur Batterie parallel geschaltet sein kann, wird hierbei insbesondere im linearen Arbeitsbereich geregelt. Hierfür kann beispielsweise ein Stellglied, insbesondere ein Leistungstransistor verwendet werden, der im Triodenbereich arbeitet.
Durch eine derartige Regelung kann eine Ausgangsspannung (gleichgerichtete Phasenspannungen) bereitgestellt werden, die nahezu konstant in Bezug auf die Batteriespannung bzw. die Spannung des Bordnetzes eingeregelt wird. Der Win- kelversatz zwischen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom am Gleichrichter verschwindet in erster Näherung, da der den Phasen nachgeordnete Gleichrichter in Kombination mit einem größeren Energiespeicher im Bordnetz, z.B. einer Kfz-Batterie, näherungsweise als ohmsche Last wirkt. Somit kann gewährleistet werden, dass der Winkelversatz bzw. der Polradwinkel durch eine Konstante und einen Term, der invers proportional zur Drehzahl der elektrischen Maschine ist, angenähert werden kann. Hierdurch ergibt sich eine deutlich vereinfachte Ermittlung des Winkelversatzes bzw. des Polradwinkels, was eine noch genauere Ermittlung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle zulässt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wird die Drehzahl der elektrischen Maschine aus einer Zeitdifferenz zwischen zumindest zwei der Auftrittszeitpunkte der Werte des Phasensignals bestimmt.
Auf diese Weise kann auf besonders einfache Art und Weise ohne die Verwendung zusätzlicher Sensoren und eines Geberrads, die Drehzahl direkt aus den Phasensignalen der elektrischen Maschine bestimmt werden, die ohnehin vorhanden sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wird die Drehwinkelposition der Kurbelwelle durch Addition der Drehwinkellage des Rotors und des Winkelversatzes berechnet.
Auf diese Weise kann besonders einfach die tatsächliche Drehwinkelposition der Kurbelwelle, durch eine einfache Ermittlung der Drehwinkellage des Rotors aus den Phasensignalen und dem auf die zuvor beschriebene Weise ermittelten Winkelversatz bzw. den Polradwinkel, berechnet werden, ohne das hierfür die Verwendung weiterer Sensoren bzw. die Verwendung eines Geberrads erforderlich ist.
Dies ist insbesondere bei Verfahren für Krafträder, insbesondere kostengünstigen Klein-und/oder Leichtkrafträdern, von Vorteil, da dort zum Teil kein Geberrad vorhanden ist oder ein Geberrad grundsätzlich eine unzureichende Genauigkeit aufweist. Zum anderen kann mit Hilfe der Erfindung auch auf ein Geberrad verzichtet werden, was einen entsprechenden Kostenvorteil mit sich bringt.
Alternativ kann jedoch auch eine vorhandene Drehwinkelpositionsmessung mittels eines Geberrads und eines Sensors unterstützt werden und die Auflösung entsprechend verbessert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wird das Phasensignal (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) durch mehrere magnetische Erreger der elektrischen Maschine (30) erzeugt, wobei einer der magnetischen Erreger derart von den restlichen Erregern abweichend betrieben wird, dass das von diesem einen Erreger erzeugte Phasensignal (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) einen von den sonstigen Phasensignalen der sonstigen Erregen abweichenden Wert annimmt. Dies ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine feste Referenzposition festlegbar ist, um die Drehwinkellage des Rotors und daraus die Drehwinkelposition der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu bestimmen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, werden die Phasensignale der elektrischen Maschine mittels einer elektronischen Schaltung, insbesondere einem Motorsteuergerät verarbeitet. Dies ist besonders vorteilhaft, da für die exakte Drehwinkelpositionsbestimmung der Kurbelwelle kein weiteres Steuergerät implementiert werden muss, wobei auf Ressourcen zurückgegriffen werden kann, die ohnehin bereits vorhanden sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Drehwinkelposition der Kurbelwelle zur Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet. Eine Erfassung und Verarbeitung der Phasensignale der elektrischen Maschine durch das Motorsteuergerät, und eine entsprechende Ermittlung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle aus der Drehwinkellage des Rotors und dem Winkelversatz, kann entsprechend zur Steuerung der Zündzeitpunkte bzw. des Moments der Brennkraftmaschine im Steuergerät der Brennkraftmaschine herangezogen werden, das die Brennkraftmaschine ohnehin steuert. Somit kann sowohl die Steuerung der Brennkraftmaschine, als auch eine verbesserte Ermittlung der Drehwinkellage der Kurbelwelle im Motorsteuergerät zusammengefasst werden, wodurch sich weitere Synergieeffekte ergeben. Hierfür weist die verwendete Recheneinheit, die vorzugsweise als Motorsteuergerät für die Brennkraftmaschine ausgebildet ist, eine entsprechende integrierte Schaltung und/oder einen auf einem Speicher gespeichertes Computerprogramm auf, die zur Durchführung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte eingerichtet sind.
Die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das vorzugsweise auf einem Datenträger, insbesondere einem Speicher in Form von Software gespeichert ist, und in der Recheneinheit zur Ausführung des Verfahrens zur Verfügung steht bzw. das Vorsehen einer integrierten Schaltung, insbesondere eines ASIC, ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondre dann, wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird, und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie sie vielfach aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1
zeigt schematisch ein Geberrad mit Sensor, insbesondere zur Drehzahlbestimmung gemäß dem Stand der Technik;
Figuren 2a bis c
zeigen eine schematische Darstellung einer an eine Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (a, b), und die dazugehörigen Signalverläufe (c);
Figur 3
zeigt schematisch eine elektrische Maschine, mit den entsprechenden zugehörigen Phasensignalen; Figur 4a und 4b
zeigen mögliche Spannungsverläufe der Phasen einer dreiphasigen elektrischen Maschine;
Figur 5a und 5b
zeigen ein einphasiges vereinfachtes Ersatzschaltbild einer elektrischen Maschine (a), sowie das dazugehörige Zeigerdiagramm der Phasenspannungsvektoren (b);
Figur 6
zeigt eine Reglerschaltung, die einem Gleichrichter einer elektrischen Maschine nachgelagert ist und zur Regelung der Batteriespannung eingerichtet ist, und
Figur 7 und 8
zeigen den Verlauf des Winkelversatzes bzw. des Polradwinkels über der Drehzahl der elektrischen Maschine (7) und den Winkelversatz bzw. den Polradwinkel über der Flankenzeit zwischen den Flanken eines Phasensignals (8) .
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 sind schematisch ein Geberrad 20 und ein zugehöriger induktiver Sensor 10 dargestellt, wie sie im Stand der Technik zur Drehzahlbestimmung bzw. zur näherungsweisen Ermittlung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle benutzt werden. Das Geberrad 20 ist dabei fest mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbunden und der Sensor 10 ist ortsfest an einer geeigneten Stelle angebracht.
Das Geberrad 20, üblicherweise aus einem ferromagnetischen Material, weist Zähne 22 auf, die an der Außenseite mit einem Abstand 21 zwischen zwei Zähnen 22 angeordnet sind. An einer Stelle auf der Außenseite weist das Geberrad 20 eine Lücke 23 in der Länge einer vorbestimmten Anzahl von Zähnen auf. Diese Lücke 23 dient als Bezugsmarke zur Erkennung einer absoluten Position des Geberrads 20. Der Sensor 10 weist einen Stabmagnet auf, an welchem ein weichmagnetischer Polstift angebracht ist. Der Polstift wiederum ist von einer Induktionsspule 13 umgeben. Bei Rotation des Geberrads laufen abwechselnd Zähne 22 und zwi- sehen jeweils zwei Zähnen liegende Leerräume an der Induktionsspule 13 des
Sensors 10 vorbei. Da das Geberrad und somit auch die Zähne 22 aus einem ferromagnetischen Material sind, wird bei der Rotation in der Spule ein Signal induziert, womit zwischen einem Zahn 22 und einem Luftspalt unterschieden werden kann.
Durch Korrelation einer Zeitdifferenz zwischen zwei Zähnen mit einem Winkel, den diese zwei Zähne einschließen, können die Winkelgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl und darüber hinaus auch die entsprechende Winkelposition der Kurbelwelle näherungsweise berechnet werden.
An der Lücke 23 weist das induzierte Signal in der Induktionsspule einen anderen Verlauf auf, als bei den ansonsten sich mit Leerräumen abwechselnden Zähnen 22. Auf diese Art ist eine absolute Positionsmarke, jedoch nur in Bezug auf eine volle Kurbelwellenumdrehung, möglich.
In Figur 2a ist eine Brennkraftmaschine 112 abgebildet, an die direkt oder übersetzt gekoppelt eine elektrische Maschine 30 angebunden ist, wobei die elektrische Maschine 30 durch die Kurbelwelle 17' der Brennkraftmaschine 112 angetrieben wird. Somit weist die Drehzahl nGen der elektrischen Maschine 130 und die Drehzahl ΠΒΚΜ der Kurbelwelle 17' sowie die Winkelposition oti des Rotors der elektrischen Maschine 30 und die Drehwinkelposition α der Kurbelwelle 17' ein festes Verhältnis zueinander auf. Der elektrischen Maschine 30 ist zudem ein Laderegler LR zugeordnet, der die Batterie B innerhalb des Bordnetzes 110, entsprechend der noch verbleibenden Kapazität der Batterie B, mit Energie versorgt. Des Weiteren ist eine Recheneinheit, insbesondere ein Motorsteuergerät 122 vorgesehen, das Daten über eine Kommunikationsverbindung 124 mit der elektrischen Maschine 30 bzw. mit der Brennkraftmaschine 112 austauscht und dazu eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine 112 und die elektrische Maschine 30 entsprechend anzusteuern. In Figur 2b ist die elektrische Maschine 30 nochmals in vergrößerter Form schematisch dargestellt. Die elektrische Maschine 30 weist einen eine Welle 17 aufweisenden Rotor 32 mit einer Erregerwicklung und einem Stator 33 mit Ständerwicklung auf. Es handelt sich daher um eine fremderregte Maschine, wie sie insbesondere bei Kraftfahrzeugen üblich ist. Insbesondere für Krafträder, insbesondere bei Klein- und Leichtkrafträdern, werden jedoch meist Motoren mit Permanentmagneten, d. h. permanenterregte elektrische Maschine eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich beide Arten von elektrischen Maschinen verwendet werden, wobei insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine - permanenterregte elektrische Maschine oder fremderregte elektrische Maschine - abhängt.
Beispielhaft ist die elektrische Maschine 30 als Drehstromgenerator ausgebildet, in welcher drei zueinander um 120° phasenverschobenen Phasenspannungssignale induziert werden. Derartige Drehstromlichtmaschinen werden üblicherweise als Generatoren in modernen Kraftfahrzeugen verwendet und sind für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich alle elektrischen Maschinen unabhängig von der Anzahl ihrer Phasen verwendet werden, wobei insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine abhängt.
Die drei Phasen des Drehstromgenerators 30 sind mit U, V, W bezeichnet. Über das als Plusdioden 34 und Minusdioden 35 ausgebildete Gleichrichtelement, werden die an den Phasen abfallenden Spannungen gleichgerichtet. Zwischen den Polen B+ und B- liegt somit eine Generatorspannung UG, bei welcher der Minuspol auf Masse liegt, an. Von einem derartigen Drehstromgenerator 30 werden beispielsweise eine Batterie B bzw. andere Verbraucher innerhalb des Bordnetzes 110 versorgt.
In Figur 2c sind drei Diagramme dargestellt, die die zugehörigen Spannungsverläufe gegenüber dem Drehwinkel des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30 zeigen. Im oberen Diagramm sind die Spannungsverläufe an den Phasen U, V, W und die zugehörige Phasenspannung UP eingetragen. Allgemein versteht sich, dass die in diesem Diagramm und in den nachfolgenden Diagrammen angegebenen Zahlen und Wertebereiche lediglich exemplarisch sind, und daher die Erfindung im Grundsatz nicht beschränken.
Im mittleren Diagramm ist die Generatorspannung UG, die durch die Hüllkurven der positiven und negativen Halbwellen der Spannungsverläufe U, V, W gebildet wird, gezeigt.
Im unteren Diagramm ist schließlich die gleichgerichtete Generatorspannung UG- (vgl. Figur 2a), zusammen mit dem Effektivwert UGeff dieser Generatorspannung UG-, die zwischen B+ und B- anliegen, gezeigt.
In Figur 3 ist schematisch der Stator 33 mit den Phasen U, V, W, sowie den Plusdioden 34 und Minusdioden 35 aus Figur 2a gezeigt. Grundsätzlich versteht sich, dass die hier abgebildeten Gleichrichterelemente in Form von Plusdioden 34 und Minusdioden 35 im Falle eines aktiven Gleichrichters auch als Transistoren, insbesondere MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgebildet sein können (nicht dargestellt). Zudem ist die im Folgenden benutzte Nomenklatur der auftretenden Spannungen und Ströme dargestellt.
Uu, Uv, Uw bezeichnen die Phasenspannungen der zugehörigen Phasen U, V, W, wie sie zwischen einem Außenleiter und dem Sternpunkt des Stators 33 abfallen. Uuv, Uvw, Uwu, bezeichnen die Spannungen zwischen zwei Phasen bzw. deren zugehörigen Außenleitern. lu, lv, lw bezeichnen die Phasenströme vom jeweiligen Außenleiter einer Phase U, V, W zum Sternpunkt. I bezeichnet den Gesamtstrom aller Phasen nach der Gleichrichtung.
In Figur 4a sind nun drei Phasenspannungen Uu, Uv, Uw mit Potentialbezug auf B- in drei Diagrammen gegenüber der Zeit dargestellt, wie sie in einem Generator mit einem Außenpolläufer mit sechs Permanentmagneten auftreten. Diese Darstellung einer elektrischen Maschine 30, mit einer dreiphasigen Statorwicklung 33 ist lediglich beispielhaft zu sehen, wobei grundsätzlich, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, das erfindungsgemäße Verfahren auch auf einem Generator mit einer entsprechend bedarfsgerechten Anzahl an Phasen oder Permanentmagneten oder Erreger-Spulen ausführbar ist. Ebenfalls können statt einer Stern-Verschaltung der Stator-Spulen auch eine Dreiecks-Verschaltung oder weitere Verschaltungsweisen gewählt werden.
Bei einer elektrischen Maschine 30 mit Stromabgabe, ist der Verlauf der Phasenspannungen Uu, Uv, Uw in erster Näherung rechteckförmig. Dies erklärt sich insbesondere dadurch, dass durch die Generatorspannung entweder die Plus- oder die Minusdioden in Flussrichtung leiten, und daher entweder in etwa 15-16 Volt (Batterieladespannung bei 12V Bleisäure-Akkumulator und Spannung an Plusdioden), oder Minus 0,7-1 Volt (Spannung an Minusdioden), gemessen wird. Bezugspotential der Messung ist jeweils Masse. Es können auch andere Bezugspotentiale wie zum Beispiel der Sternpunkt des Stators gewählt werden. Diese ergeben abweichende Signalverläufe ändern jedoch nicht die auswertbaren Informationen, deren Gewinnung und Auswertung.
Grundsätzlich können die Phasensignale (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) auf verschiedene Weise gewonnen werden. Möglich ist beispielsweise eine Ermittlung der Phasenspannungen gegeneinander (Uuv, Uuw, Uwu), eine Ermittlung der Phasenspannungen über die Dioden eines angeschlossenen Gleichrichters gegen dessen Ausgangsklemmen (Β+, B-), sofern der Stator der elektrischen Maschine in Sternschaltung mit abgreifbarem Sternpunkt ist, eine Betrachtung der Ausgangsspannung der Stränge gegen den Sternpunkt (Uu, Uv, Uw) oder eine vergleichbare Auswertung der Phasenströme.
In Figur 4b sind die Phasenspannungen Uu, Uv, Uw aus Figur 4a in einem Diagramm zusammen aufgetragen. Hierbei ist deutlich der gleichmäßige Phasenversatz zu erkennen.
Während einer vollen Umdrehung des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30, werden die Spannungssignale durch sechs Magnete (insbesondere Permanent- magnete), die sogenannten Polpaare, sechs Mal wiederholt. Dementsprechend treten pro Phase, d. h. pro Phasenspannung Uu, Uv, Uw pro Umdrehung des Rotors 32 sechs fallende Flanken FLD und sechs steigende Flanken FLu (für die jeweiligen Phasen FLuu, FLvu, FLwu und FLUD, FLVD, FLWD) auf.
Diese Flanken legen einen Winkelabschnitt fest, nämlich genau den Winkelabschnitt, der durch die Magnete entlang des radialen Umfangs des Stators abgedeckt ist. Demnach lässt sich bei Erkennen der jeweiligen Flanken FLu, bzw. FLD, bei Kenntnis eines absoluten Bezugspunkts pro Umlauf, der beispielsweise anhand eines Referenzmagneten mit von den sonstigen Magneten abweichender Charakteristik der Phasenspannung Uu, Uv, Uw gekennzeichnet ist, ermittelt werden.
Mit geeigneten Mitteln können nun sowohl die fallenden Flanken FLD als auch die steigenden Flanken FLu erkannt werden. Beispielsweise kann für jede Phasenspannung mittels eines sogenannten Schmitt-Triggers ein TTL-Signal generiert und an ein Steuergerät übermittelt werden. Die benötigten Schmitt-Trigger können entweder im Steuergerät oder in der Steuerelektronik, beispielsweise einem Steuergerät, einem Regler für die Batteriespannung und/oder im Fall eines aktiven Gleichrichters, im jeweiligen Generatorregler integriert oder diesen auch extern zugeordnet sein. Die einzelnen TTL-Signale können insbesondere für den Fall der Verwendung eines Steuergerät, insbesondere eines Motorsteuergeräts 122 (vgl. Figur 2a), über je eine Leitung, oder durch eine vorgelagerte Kombinationselektronik oder anderes geeignet zusammengefasst, über nur eine Datenleitung 124 (vgl. Figur 2a) übermittelt werden.
In Figur 4b sind den Enden der jeweiligen fallenden Flanken der Phasenspannung Uu, Uv, Uw jeweils Werte Wu, Wv, Ww zugeordnet, die auch als Wud, Wvd, Wwd bezeichnet werden. Gleichermaßen können auch den steigenden Flanken FLu entsprechende Werte Wuu, Wvu, Wwu zugeordnet werden. Diese Werte können der Erkennung einer Drehwinkellage oti des Rotors 32 bzw. einem durch die Polpaare des Stators 33 festgelegten Winkelinkrements dienen. Auch eine Erkennung der Drehwinkellage oti des Rotors 32 anhand der Plateaubereiche der Phasensignale oder anderen Bereichen dazwischen ist möglich. Gleichermaßen können die Werte auch dazu genutzt werden, anhand von Zeitdifferenzen Ati, Δ.2, ΔΪ3, die Drehzahl des Generators zu ermitteln.
Hierbei treten bei einer gleichmäßigen Anordnung der sechs Permanentmagnete in der elektrischen Maschine 30, insgesamt 18 fallende Flanken FLd und somit 18 zugehörige Werte pro Umdrehung in jeweils gleichen Abständen zueinander auf. Während eine Zeitdifferenz Ati, At2, oder Ab wird somit ein Winkel 360° / 18 = 20° überstrichen. Wie bereits eingangs erwähnt, kann dies auch zur Erkennung der Drehwinkellage oti des Rotors 32 herangezogen werden, wobei die beispielhaft ermittelten 20° das detektierbare Winkelinkrement darstellt. Zudem lässt sich hieraus auch die Winkelgeschwindigkeit ω, ermitteln. Diese ergibt sich aus ω, = 20°/Ati und die dazugehörige Drehzahl n, aus n, = Go/3600-60s/min in Umdrehungen pro Minute.
Es versteht sich grundsätzlich, dass alternativ zu den fallenden Flanken FLD auch die steigenden Flanken zur Ermittlung der Drehwinkellage oti des Rotors 32 als auch zur Ermittlung der Momentandrehzahl nGen der elektrischen Maschine 30 verwendbar sind. Durch die doppelte Anzahl an Werten pro Umdrehung, ergibt sich dementsprechend eine höhere Auflösung, sowohl der Drehwinkellage oti des Rotors 32, als auch der Drehzahl nGen. Zudem können die Flanken der Phasen auf vielfältige weitere Art und Weise ausgewertet werden, beispielsweise durch die zeitlichen Abstände der steigenden Flanken FLu und fallenden Flanken FLD jeweils der gleichen Phasen oder von den jeweiligen Phasen zueinander oder durch den zeitlichen Abstand von steigenden Flanken FLu bzw. fallenden Flanken FLD der gleich Phase, oder aller Phasen zusammen.
Neben den aufsteigenden Flanken FLu und abfallenden Flanken FLD können für eine verbesserte Auflösung der Ermittlung der Drehwinkellage oti des Rotors 32 bzw. einer Drehzahlerkennung nGen, auch die Nulldurchgänge der Phasensignale Uu, Uv, Uw herangezogen werden.
Die tatsächliche Drehwinkellage oti des Rotors 32 und dessen Welle 17 und damit die Drehwinkelposition α der Kurbelwelle 17', lassen sich aus den elektri- sehen Signalen der elektrischen Maschine 30, insbesondere den Phasensignalen Uu, Uv, Uw, bzw. den dazugehörigen Phasenströmen lu, lv, lw lediglich mit unzureichender Genauigkeit bestimmen, da im Falle einer belasteten elektrischen Maschine 30 infolge des Stromflusses, es zu einem systematischen Fehler in Form eines Winkelversatzes zwischen der Phasenlage der Phasensignale Uu,
Uv, Uw, bzw. lu, lv, lw und der tatsächlichen Drehwinkellage oti des Rotors 32 kommt. Dies wird in den nachfolgenden Abbildungen näher erläutert.
In Figur 5a ist eine schematische Darstellung eines einphasigen vereinfachten Ersatzschaltbilds einer elektrischen Maschine gezeigt, und in Figur 5b ist entsprechend die Beziehung zwischen den einzelnen Spannungen bzw. Strömen und deren relativer Phasenversatz zueinander in einem Zeigerdiagramm dargestellt. Die aus diesem Einphasenersatzschaltbild ermittelten Erkenntnisse lassen sich grundsätzlich auch auf eine mehrphasige elektrische Maschine, wie sie bei- spielsweise in der vorangegangenen Beschreibung gezeigt ist, übertragen. Aus dem einphasigen Ersatzschaltbild der elektrischen Maschine aus Figur 5 a) und dem zugehörigen, in Figur 5 b) gezeigten Zeigerdiagramm, lässt sich eine Spannungsgleichung für eine belastete elektrische Maschine herleiten, diese lautet wie folgt:
Figure imgf000018_0001
wobei U der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine 30, UP der Leerlaufspannung der elektrischen Maschine ohne Belastung und I * jX dem Span- nungsabfall Ux, der aufgrund des Stromflusses durch die elektrische Maschine und aufgrund der Reaktanz X der elektrischen Maschine im Generator abfällt, entspricht.
Hierbei entspricht die Leerlaufspannung UP der elektrischen Maschine 30, der idealen induzierten Spannung, die mit der Drehwinkellage oti des Rotors 32 bezüglich der Phase übereinstimmt. Hierbei ist entsprechend der Winkelversatz θ, der dem Polradwinkel entspricht, gleich null. Somit spiegelt die Phasenbeziehung der Leerlaufspannung UP exakt der geometrischen Bewegung des Rotors 32 wieder und gibt somit dessen exakte Winkellage - im unbelasteten Zustand der elektrischen Maschine 30 - an.
Aufgrund der Belastung der elektrischen Maschine 30 und des daraus resultierenden Stromflusses I, eilt die Ausgangsspannung U des belasteten Generators 30 in Bezug auf deren Phase der induzierten Leerlaufspannung UP hinterher, wobei sich der Winkelversatz zwischen U und UP durch den Winkelversatz θ, dem sogenannten Polradwinkel ergibt. Dieser ist grundsätzlich abhängig vom Spulenstrom I und ohne Kenntnis des Spulenstroms I nicht ohne weiteres berechenbar.
Zudem ergibt sich der Winkel zwischen Ausgangsspannung U und Strom I durch die angeschlossene Last und beträgt für einen rein ohmschen Verbraucher φ = 0°. Die ideale induzierte Spannung (Leerlaufspannung) UP der elektrischen Maschine, ergibt sich als Produkt aus Maschinenkonstanten, der Erregung, und der Winkelgeschwindigkeit. Im Falle einer permanenterregten Maschine ergibt sich eine konstante Erregung durch die verwendeten Permanentmagnete und damit eine zur Winkelgeschwindigkeit proportionale ideale induzierte Spannung. Aus dem Zeigerdiagramm aus Figur 5 b) ergibt sich somit für den Winkelversatz θ:
(cos (θ) = (U + sin (φ) * X * I) / UP.
Bei Verwendung eines linear arbeitenden Spannungsreglers 40 bzw. einer An- steuerung eines Stellgliedes 42 für einen Spannungsreglers 40 , das beispielsweise in Form eines Leistungstransistors ausgebildet ist und im linearen Bereich (Triodenbereich) arbeitet, lässt sich die Ausgangsspannung U der elektrischen Maschine 30 nahezu konstant (in Bezug auf die Batteriespannung) einregeln. Weiterhin führt die Verwendung eines Gleichrichters (34, 35) mit einer nachgeschalteten Batterie (B) am Ausgang des Generators 30 näherungsweise zu einer rein ohmschen Last, auch wenn im Bordnetz kleinere Kapazitäten auftreten können. Hiermit geht entsprechend der Winkelversatz zwischen Ausgangsspannung U und Strom I, φ, gegen 0, wobei der Summand aus der zuvor genannten Formel (sin (φ) * X * I) ebenfalls gegen 0 geht und damit verschwindet.
Die Leerlaufspannung UP ist grundsätzlich proportional zur Drehzahl nGen der elektrischen Maschine 30. Somit vereinfacht sich die zuvor genannte Formel, un- ter der Annahme einer im Wesentlichen konstanten Amplitude der Ausgangsspannung U und der Annahme, dass φ gegen Null geht und somit der zweite Summand verschwindet, auf die Relation: öaprox = COS 1 (C0nSt./nGen), wobei sich die Konstante const. im Wesentlichen aus der konstanten Ausgangsspannung U und dem konstanten und damit nicht von der Drehzahl nGen abhängigen Anteil der Leerlaufspannung UP ergibt.
Wählt man eine Darstellung der Formel für 9aprox in Abhängigkeit der Flankenzeit tGen statt der Drehzahl nGen, ergibt sich folgender Zusammenhang von 9aprox und tGen: öaprox = COS"1 (const.' * tGen), wobei const.' neben den konstanten Faktoren von oben noch den konstanten Faktor zur Berechnung der Flankenzeit tGen in Sekunden aus der Drehzahl nGen in Umdrehungen pro Minute (rpm) enthält.
Im relevanten Zeitbereich für typische Verbrennungsmotoren von Leerlauf bis ca. 15000 rpm lässt sich diese Beziehung näherungsweise durch eine Geradengleichung mit negativer Steigung beschreiben und ermöglicht damit eine hohe Recheneffizienz in der Anwendung. Wie bereits eingangs dargestellt, haben die angegebenen Wertebereiche lediglich erläuternden Charakter und sollen die Erfindung nicht beschränken.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Batterieregelung bzw. einer
entsprechenden Regelung der Batteriespannung derart, dass das jeweilige Stellglied 42 im linearen Bereich betrieben wird, kann der Winkelversatz θ in erster Näherung auch ohne Kenntnis des Stromflusses I hinreichend genau abgeschätzt werden, was eine sehr verlässliche Ermittlung des Winkelversatzes θ zwischen der Phasenlage der Phasenspannungen Uu, Uv, Uw und der tatsächlichen Drehwinkellage oti des Rotors 32 zulässt. Demnach kann eine aus den Phasenspannungen Uu, Uv, Uw ermittelte Drehwinkellage aphase des Rotors 32 entsprechend durch den Winkelversatz θ, der von der jeweiligen Drehzahl nGen abhängt, korrigiert werden. Hieraus kann entsprechend die tatsächliche Drehwinkelposition α der Kurbelwelle 17 der Brennkraftmaschine bzw. der Drehwinkellage oti des Rotors 32, ermittelt werden. Diese stehen im Falle einer festen Kopplung zwischen der Welle des Rotors 32 und der Kurbelwelle 17 in einem festen Verhältnis zueinander. Es gilt daher ohne Beschränkung der Allgemeinheit α = oti, aber oti ist in den Phasensignalen Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw nicht mehr sichtbar, sobald ein Strom fließt.
Durch entsprechende Ermittlung der unkorrigierten Drehwinkelposition aphase aus zumindest einem der Phasensignalen Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw und die zuvor beschriebene Ermittlung des Polradwinkels θ, kann die tatsächliche Winkelposition oti durch: ι ~ aphase + θ in besonders guter Näherung ermittelt werden.
In Figur 7 ist die zuvor bezeichnete Relation zwischen dem Winkel θ und der Drehzahl nGen aufgetragen. Diese Daten können beispielsweise in Form eines Kennfeldes in einem jeweiligen Steuergerät 122 hinterlegt werden und die tatsächliche Drehwinkelposition oti des Rotors 32 und damit Drehwinkelposition ot der Kurbellwelle 17' der Brennkraftmaschine 112 mit deutlich verbesserter Genauigkeit ermittelt werden.
In Figur 8 ist der Winkelversatz θ, bzw. der Polradwinkel über der Flankenzeit angegeben, wobei die Flankenzeit die charakteristischen Zeitbereiche der aufsteigenden und abfallenden Flanken FLu und FLü der Phasenspannungen Uu, Uv, Uw (vgl. beispielsweise Figur 4a) bezeichnen. Hierbei kann entsprechend der obigen Beschreibung der Verlauf des Winkelversatzes θ bzw. des Polradwinkels entsprechend durch eine Gerade mit negativer Steigung angenähert werden. Wie bereits eingangs dargestellt, haben die angegebenen Wertebereiche lediglich erläuternden Charakter und sollen die Erfindung nicht beschränken.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelposition (α,αι) einer Welle (17), insbesondere einer Kurbelwelle (17') einer Brennkraftmaschine (112), welche mit einer elektrischen Maschine (30), umfassend einen Rotor (32) und einen Stator (33) mit zumindest einer Phasenwicklung (U, V, W), direkt oder übersetzt gekoppelt ist, wobei zumindest ein Phasensignal (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) der elektrischen Maschine (30) zumindest einen Wert (WUu, Wud, WVu, WVd, WWu, WWd) aufweist, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors (32) auftritt, wobei ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts (Wuu, Wud, Wvu, Wvd, Wwu, Wwd) zur Bestimmung einer Drehwinkellage (aphase) des Rotors (32) genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelposition (α,αι) der Welle aus der Drehwinkellage (aphase) des Rotors (32) und einem Winkelversatz (θ) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Werte (Wuu, Wud, Wvu, Wvd, Wwu, Wwd) aufsteigende Flanken (Fluu, Flvu, Flwu) des Phasensignals (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) und abfallende Flanken (Flud, Flvd, Flwd) des Phasensignals (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) aufweisen, wobei die aufsteigenden Flanken (Fluu, Flvu, Flwu) des Phasensignals (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) und/oder die abfallenden Flanken (Flud, Flvd, Flwd) des Phasensignals (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) zur Bestimmung der Drehwinkellage (aphase) des Rotors (32) herangezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ein oder mehrere Phasensignale (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) wenigstens ein Phasenspannungssignal (Uu, Uv, Uw) und/oder wenigstens ein Phasenstromsignal (lu, lv, lw) umfassen.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Winkelversatz (θ) anhand einer Relation (9aprox) ermittelt wird, die eine Konstante (const) und eine inverse Proportionalität zur Drehzahl (n) der elektrischen Maschine (30) aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die elektrische Maschine (30) einen Regler (40) zur Regelung der Bordnetzspannung aufweist, wobei der Regler (40) derart betrieben wird, dass der Cosinus des Winkelversatzes (θ) stets invers proportional zur Drehzahl (n) der elektrischen Maschine (30) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Drehzahl (n) aus einer Zeitdifferenz (Ati, At2, ΔΪ3) zumindest zweier Auftrittszeitpunkte der Werte (Wuu, Wud, Wvu, Wvd, Wwu, Wwd) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehwinkelposition (a) der Welle durch Addition der Drehwinkellage (aphase) des Rotors (32), die vorzugsweise aus wenigstens einem Phasensignale (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) ermittelt wird, und dem Winkelversatz (θ) berechnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasensignal (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) durch mehrere magnetische Erreger der elektrischen Maschine (30) erzeugt wird, wobei einer der magnetischen Erreger derart von den restlichen Erregern abweichend betrieben wird, dass das von diesem einen Erreger erzeugte Phasensignal (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) einen von den sonstigen Phasensignalen der sonstigen Erregen abweichenden Wert annimmt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ein oder mehreren Phasensignale (Uu, Uv, Uw, lu, lv, lw) der elektrischen Maschine (30) mittels einer elektronischen Schaltung, insbesondere einem Motorsteuergerät (122) verarbeitet werden.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehwinkelposition (a, oti) der Welle (17) zur Steuerung der Brennkraftmaschine (112) verwendet wird.
11. Recheneinheit, vorzugsweise ein Motorsteuergerät (122) für eine Brennkraftmaschine (12) , die durch eine entsprechende integrierte Schaltung und/oder durch ein auf einem Speicher gespeichertes Computerprogramm dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
12. Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
13. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.
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