WO2023169622A1 - Method for determining a torque - Google Patents

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WO2023169622A1
WO2023169622A1 PCT/DE2023/100099 DE2023100099W WO2023169622A1 WO 2023169622 A1 WO2023169622 A1 WO 2023169622A1 DE 2023100099 W DE2023100099 W DE 2023100099W WO 2023169622 A1 WO2023169622 A1 WO 2023169622A1
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WO
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torque
determining
mathematical model
signal value
machine learning
Prior art date
Application number
PCT/DE2023/100099
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German (de)
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Inventor
Kazuaki Kaneko
Jens Heim
Enrico CHIOVETTO
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/108Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects
    • GPHYSICS
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    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects
    • G01L1/2281Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for temperature variations

Definitions

  • the present invention generally relates to the technical field of methods for determining a torque of a device to be driven, in particular a drive train.
  • a powertrain typically includes a motor with a motor shaft, a motor controller, a torque sensor with a microcontroller, and a transmission with an output shaft.
  • torque is also an important parameter in robotics. Especially with industrial robots, high torque is often necessary to move the joints of a multi-link manipulator with sufficient force.
  • the previously known methods for determining the torque of a drive train typically consist of attaching a torque sensor to an output shaft of the drive train.
  • a torque sensor is generally formed by attaching strain gauges to a component of the transmission, in particular an elastic transmission element with external teeth, and by determining a torque based on input data, the input data being measured by the strain gauges.
  • Such procedures are described, for example, in the following scientific publications:
  • Another object of the present invention is to provide an improved method for determining a torque of a drive train and thus to at least partially overcome the above-mentioned disadvantages of the prior art.
  • Another object of the present invention is to provide an improved mathematical model for determining torque.
  • the invention relates to a method for determining a torque of a device to be driven, in particular a drive train.
  • the method can include acquiring input data.
  • the input data may include a voltage measured by a torque sensor.
  • the input data can further include at least one signal value from an engine control system.
  • the method may include determining the torque using a mathematical model based on the voltage and the at least one signal value.
  • the drive train is preferably part of a vehicle or robot and may include a motor with a motor shaft, a motor controller, a torque sensor with a microcontroller and a transmission with an output shaft.
  • the engine can be an internal combustion engine, an electric motor, a fuel cell, a hybrid drive or another energy converter.
  • the torque of the drive train is understood to mean the torque available to drive the vehicle, the robot or a manipulator member of the robot.
  • the expert understands torque to be the torque applied to the output shaft of the drive train.
  • the torque of the drive train is therefore the output torque of the transmission.
  • the torque of the drive train can, for example, be transmitted directly to the wheels of the vehicle.
  • Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device, such as the torque sensor microcontroller. It is also possible for the hardware device to include a processor, a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, one or more of the key method steps may be performed by such a device.
  • the process can be fully automated. It is also possible for the process to be carried out continuously in the real time that is usual for engine technology.
  • input data is the data that is made available to the mathematical model for determining the torque.
  • the engine control is usually used to control and/or regulate the engine.
  • the engine control can read out, measure and/or save all signal values relating to the engine.
  • the engine control can have means for reading, measuring and/or Save the signal values.
  • Signal values can be electrical signals such as voltages and/or currents.
  • the signal values can also be pressures, temperatures, rotational speeds, accelerations and/or speeds.
  • the engine control can have access to sensors, such as temperature and/or pressure sensors, depending on the application, or signal values can be transmitted from the sensors to the engine control. It is also possible for the engine control system to measure a large number of signal values at the same time and transmit them to the other components of the drive train.
  • the engine control can also be designed to control the engine and/or other components of the device to be aborted.
  • the engine control can, for example, regulate the speed of a vehicle.
  • the control can be implemented by a control loop implemented as an algorithm.
  • the torque sensor is preferably equipped with a microcontroller.
  • the mathematical model or at least parts of the mathematical model can be implemented on the microcontroller.
  • Helical gears, bevel gears, helical gears, planetary gears or Harmonie Drive gears can be used as gears.
  • the method according to the invention advantageously leads to an improvement of the measuring method using a torque sensor.
  • the method can provide additional data from the engine control system in order to determine the torque of the drive train even more precisely.
  • the method according to the invention has the advantage that input data from various components of the drive train, in particular the engine control and the torque sensor, can be made available to the mathematical model at the same time. In other words, measured signal values from different sensors can be merged (multi-sensor fusion) and further processed by the mathematical model.
  • the at least one signal value of the motor control comprises a motor position and/or a direction of rotation.
  • the motor position refers to the angle of rotation of the motor shaft leading out of the motor.
  • the motor shaft can for example, initially have a rotation angle of approximately 0°. After half a revolution of the motor, the rotation angle is essentially 180°.
  • the direction of rotation means the direction of rotation of the motor shaft.
  • the direction of rotation can be clockwise or counterclockwise.
  • the motor position and the direction of rotation have the advantage that they are preferably available as stored data in the motor control or are measured by the motor control.
  • the input data includes a temperature.
  • Temperatures can be lubricant temperatures in the transmission or a temperature measured in the engine.
  • the method can thus detect possible temperature effects acting on the torque of the drive train.
  • the mathematical model includes a finite element model.
  • a finite element model has the advantage that any complex geometry of the drive train and its physical behavior can be mapped based on differential equations and continuum theory. Non-linearities regarding the material and/or geometry can also be easily mapped.
  • the mathematical model includes a machine learning model.
  • the machine learning model can in particular be an artificial neural network.
  • ANN Artificial neural networks
  • AN Ns include a plurality of interconnected nodes and a plurality of connections, called edges, between the nodes.
  • Each node can represent an artificial neuron.
  • Each edge can send information from one node to another.
  • the output of a node can be defined as a (nonlinear) function of the inputs (e.g. the sum of its inputs).
  • a node's inputs can be used in the function based on a "weight" of the edge or node providing the input.
  • the weight of nodes and/or edges can be adjusted in a learning process.
  • training an artificial neural network can involve adjusting the weights of the Include nodes and/or edges of the artificial neural network, ie to achieve a desired output for a particular input.
  • the machine learning model can be a support vector machine, a random forest model or a gradient boosting model.
  • Support Vector Machines are supervised learning models with associated learning algorithms that can be used to analyze data (e.g. in a classification or regression analysis).
  • Support vector machines can be trained by providing input with a plurality of training input values belonging to one of two categories. The support vector machine can be trained to assign a new input value to either category.
  • the machine learning model may be a Bayesian network, which is a probabilistic directed acyclic graphical model. A Bayesian network can represent a set of random variables and their conditional dependencies using a directed acyclic graph.
  • the machine learning model may be based on a genetic algorithm, which is a search algorithm and heuristic technique that mimics the process of natural selection.
  • the machine learning model is trained using at least one training data set.
  • the at least one training data set can include a voltage measured by a torque sensor, at least one signal value from a motor control and a reference torque.
  • the training data set can, for example, be created on a test bench.
  • the voltage measured by the torque sensor, the at least one signal value from the engine control and the reference torque are measured on the test bench in different operating states of the drive train.
  • supervised learning can be used as a training method for the machine learning model.
  • the machine learning model is trained using a plurality of training samples, where each sample can include a plurality of input data values and a plurality of desired output values, that is, a desired output value is assigned to each training sample.
  • the machine learning model “learns” what output value should be based on an input sample that is similar to the Sample values provided during training must be provided.
  • semi-supervised learning can also be used. In semi-supervised learning, some of the training samples lack a desired output value.
  • Supervised learning can be based on a supervised learning algorithm (e.g.
  • Classification algorithms can be used when the outputs are restricted to a limited set of values (categorical variables), i.e. the input is classified as one from the limited set of values.
  • Regression algorithms can be used when the outputs show any numerical value (within a range).
  • Similarity learning algorithms can be similar to both classification and regression algorithms, but are based on learning from examples using a similarity function that measures how similar or related two objects are.
  • unsupervised learning can be used to train the machine learning model.
  • input data may be provided (only) and an unsupervised learning algorithm may be used to find structure in the input data (e.g.
  • Clustering is the assignment of input data comprising a plurality of input values into subsets (clusters) such that input values within the same cluster are similar according to one or more (predefined) similarity criteria, while they are dissimilar to input values comprised in other clusters.
  • the mathematical model is implemented on a microcontroller of the torque sensor.
  • the torque determined using the mathematical model is transmitted to a control loop.
  • the control circuit can be intended to regulate a current strength of the motor and/or a speed.
  • a control system based on the control loop can thus be improved.
  • the plausibility check procedure has further procedural steps.
  • an estimated torque can be obtained based on a current strength of the motor.
  • an upper torque limit and/or a lower torque limit can be determined based on the estimated torque.
  • the torque determined using the mathematical model can then be evaluated based on the upper torque limit and/or the lower torque limit.
  • the current strength of the motor can be read out by the motor control as a signal value.
  • the evaluation of the torque determined using the mathematical model can be checked, for example, by the following condition: estimated torque - A ⁇ torque determined using the mathematical model ⁇ estimated torque + A
  • A is a calibration parameter taking into account the current level of accuracy of the estimated torque.
  • Parameter A can be defined and saved in advance in the microcontroller of the torque sensor. As long as the torque determined by the mathematical model is within the range “estimated torque (current-based) ⁇ A”, it can be assessed whether the torque determined using the mathematical model is plausible. If the torque determined by the mathematical model is out of range, the error condition is output as a diagnostic condition or status.
  • a device for data processing in particular a microcontroller of a torque sensor, comprising means for carrying out one of the methods described herein.
  • the data processing device may comprise a storage medium (or a data carrier or a computer-readable medium) which comprises, stored thereon, a computer program for carrying out one of the methods described herein when it is used by one processor is running.
  • the data carrier, digital storage medium or recorded medium is usually tangible and/or non-seamless.
  • Another embodiment of the present invention is an apparatus as described herein that includes a processor and the storage medium.
  • the invention provides a computer program that includes instructions that, when the program is executed by a computer, cause it to carry out one of the methods described herein.
  • a machine learning model for determining a torque of a drive train is also provided.
  • the machine learning model can have input means for receiving a voltage measured by a torque sensor and at least one signal value from a motor control. Furthermore, the machine learning model may have means for determining the torque based on the voltage and the at least one signal value.
  • the machine learning model can refer to algorithms and statistical models that computer systems can use to perform a specific task without using explicit instructions, instead of relying on models and inference.
  • a transformation of data can be used that can be derived from an analysis of historical and/or training data.
  • the physical behavior of the powertrain can be analyzed using a machine learning model or using a machine learning algorithm.
  • the machine learning model can be trained using training data sets as input and training content information as output. By training the machine learning model with a large number of training data sets and/or training sequences (e.g. signal values) and associated training content information (e.g.
  • the machine learning model “learns” to recognize the physical behavior of the powertrain, such that the physical behavior contained in not included in the training data can be predicted using the machine learning model.
  • the same principle can be used for other types of sensor data as well: By training a machine learning model using From training sensor data and a desired output, the machine learning model “learns” a transformation between the sensor data and the output, which can be used to provide an output based on non-training sensor data provided to the machine learning model.
  • the provided data e.g. sensor data and/or metadata
  • the invention provides a training data set for training the machine learning model.
  • the at least one training data set can include a voltage measured by a torque sensor, at least one signal value from a motor control and a reference torque.
  • Fig. 1 Drive train 1 according to embodiments of the invention.
  • Fig. 2 Method according to embodiments of the invention at a glance.
  • Fig. 3A Mathematical model 9 according to embodiments of the invention.
  • Fig. 3B Motor control 4 and torque sensor 5 according to embodiments of the invention.
  • Fig. 4 Method for plausibility checking according to embodiments of the invention.
  • Fig. 1 shows a drive train 1 according to an embodiment of the invention.
  • the drive train 1 is used in a passenger car and includes a motor 2 with a motor shaft 3, a motor control 4, a torque sensor 5 with a microcontroller, a data transmission system 6 and a transmission 7 with an output shaft 8.
  • the motor shaft 3 of the motor 2 is connected to the gearbox 7 and thus transmits the engine torque generated by the engine 2 to the gearbox 7.
  • the gearbox 7 is a Harmonie Drive gearbox with an elastic transmission element that is characterized by a high gear ratio and rigidity.
  • the elastic transmission element is also known as a flexspine.
  • the transmission 7 also has an output shaft 8, the torque of the output shaft 8 being passed on to the wheels of the passenger car.
  • the torque sensor 5 comprises a strain gauge, wherein the strain gauge consists of a semiconductor and measures a voltage applied to a resistor based on the piezoresistive effect. A change in resistance and tension occurs due to a deformation of the strain gauge.
  • the advantage of the strain gauge used compared to conventional metal strain gauges is its high sensitivity.
  • the strain gauge of the torque sensor 5 is arranged on an elastic transmission element of the transmission 7.
  • the torque sensor 5 is thus embedded in the transmission 7.
  • the torque sensor 5 is connected to the engine control 4 via a data transmission system 6.
  • the engine control 4 measures the signal values relating to the engine 2 and transmits the signal values to the torque sensor 5.
  • the method for determining the torque is implemented in the form of a computer program on the microcontroller of the torque sensor 5. After the torque has been determined, the torque is transmitted to the engine control 4 via the data transmission system 6.
  • Fig. 2 shows a method according to an embodiment of the invention in a schematic representation.
  • the method according to the embodiment includes the following steps: First step S1.1: The torque sensor 5 measures a voltage and passes the voltage on to the microcontroller.
  • Second step S1 .2 The motor control 4 passes on a signal value to the microcontroller.
  • Third step S1.3 A mathematical model 9 implemented on the microcontroller determines the torque based on the voltage and the signal value.
  • the order of the steps S1.1, S1.2 and S1.3 mentioned can vary depending on the application.
  • the signal value can first be passed on from the motor control 4 to the microcontroller and then the voltage can be measured by the torque sensor 5 and passed on to the microcontroller.
  • a simultaneous execution of the first step S1.1 and the second step S1.2 is also possible.
  • the torque can be transmitted to the engine control 4 in a further step, not shown in the exemplary embodiment.
  • 3A shows the mathematical model 9 according to an embodiment of the invention.
  • Various signal values are transmitted to the mathematical model 9 as input data E, whereby in the example shown, the input data E is a voltage II measured by the torque sensor 5, a temperature of the transmission 0, a position of the motor Q and a direction of rotation of the motor acts.
  • the mathematical model 9 calculates based on the four signal values II, 0, Q and a torque T of the output shaft 8 of the drive train 1.
  • the calculated torque T is provided as a signal value for further use.
  • the mathematical model 9 is an artificial neural network that was trained using training data before use in the drive train 1.
  • the calculation of the torque T by means of the artificial neural network and the components of the drive train 1 are optimally adjusted to the hard real-time requirements required in engine technology.
  • the calculation time is in the usual range for engine control 4 applications.
  • FIG. 3B shows the motor control 4 and the torque sensor 5 according to a further embodiment of the invention.
  • the engine control 4 and the torque sensor 5 are connected to one another via a data transmission system 6 and can therefore send each other the signal values Q, I, T and Z.
  • the Motor control 4 the torque sensor 5 the position of the motor Q, the direction of rotation of the motor and a current strength of the motor I.
  • the torque sensor 5 transmits the torque T of the output shaft 8 of the drive train 1 and a status Z of the torque sensor 5 to the engine control 4.
  • the data transmission system 6 is an EtherCAT system.
  • the data transmission system 6 thus advantageously meets the real-time requirements.
  • the engine control 4 and a torque sensor 5 can send or exchange the signal values Q, I, T and Z synchronously.
  • the signal values and I can be transmitted from the engine control 4 to the torque sensor 5 and used there directly, for example to calculate the torque T.
  • the torque T can then be transmitted directly back to the engine control 4.
  • Fig. 4 shows a method for plausibility checking according to an embodiment of the invention. All method steps S2.1, S2.2, S2.3, S2.4 and S2.5 are carried out on a microcontroller belonging to the torque sensor 5.
  • a first step S2.1 the microcontroller receives the signal values Q, and I from the motor control 4 via the data transmission system 6.
  • the signal values include the current strength of the motor I.
  • the microcontroller calculates the torque T using a mathematical model 9 implemented on the microcontroller and based on the signal values and I. Furthermore, in the second step S2.2, the microcontroller determines an estimated torque based on the current strength of the motor I. The microcontroller additionally determines an upper torque limit and a lower torque limit based on the estimated torque.
  • the microcontroller evaluates the torque T determined using the mathematical model 9 based on the upper torque limit and the lower torque limit.
  • the microcontroller sets S2 in a further step .4 the status Z to “Error”. If the torque T determined using the mathematical model 9 is within the torque limits, ie smaller than the value defined by the upper torque limit and at the same time greater than the value defined by the lower torque limit, the microcontroller sets in a further step S2.5 status Z to “plausible”.
  • the status Z and the torque T can be transmitted to the engine control 4 in a further step using the data transmission system 6.
  • the method shown in Fig. 4 is therefore used to check the technical plausibility of the torque T determined using the mathematical model 9. If the status Z is output as an “error”, the torque T is not used for any further calculations in the engine control 6.
  • the algorithms or computer programs necessary for the above functions can expediently be implemented in whole or in part in the torque sensor 5, in the microcontroller, in the motor control 4 and/or in another computer system connected to these devices.
  • the computing system may be a local computing device (e.g., personal computer, laptop, tablet computer, or cell phone) with one or more processors and one or more storage devices, or may be a distributed computing system (e.g., a cloud computing system with one or more processors or one or more Storage devices distributed at various locations, for example at a local client and/or one or more remote server farms and/or data centers).
  • embodiments of the invention may be implemented in hardware or software. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device, such as a processor, a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit.
  • a hardware device such as a processor, a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit.
  • a hardware device such as a processor, a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit.

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Abstract

The present invention relates to a method for determining a torque (T) of a drive train (1) by means of a mathematical model (9). The method may comprise capturing input data (E). The input data (E) may comprise a voltage (U) measured using a torque sensor (5). The input data (E) may also comprise at least one signal value (Ω, Ψ, I) of a motor controller (4). Furthermore, the method may comprise determining the torque (T) by means of a mathematical model (9) based on the voltage (U) and the at least one signal value (Ω, Ψ, I). The present invention also relates to a machine learning model for determining a torque (T) of a drive train (1).

Description

VERFAHREN ZUM BESTIMMEN EINES DREHMOMENTS METHOD FOR DETERMINING TORQUE
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL FIELD
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments einer anzutreibenden Vorrichtung, insbesondere eines Antriebsstrangs. The present invention generally relates to the technical field of methods for determining a torque of a device to be driven, in particular a drive train.
HINTERGRUND BACKGROUND
Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments finden in der Antriebstechnologie vielfältige Anwendungen. Beispielsweise zur Verbesserung des Fahrverhaltens von Kraftwagen zur Personenbeförderung wird das Drehmoment des Antriebsstrangs gemessen oder rechnerisch bestimmt. Ein Antriebsstrang umfasst typischerweise einen Motor mit einer Motorwelle, eine Motorsteuerung, einen Drehmomentsensor mit einem Mikrocontroller und ein Getriebe mit einer Ausgangswelle. Unter Drehmoment im Sinne der Erfindung versteht der Fachmann dabei das an der Ausgangswelle des Antriebsstrangs anliegende Drehmoment. Neben der Fahrzeugtechnik ist das Drehmoment ferner in der Robotik eine wichtige Kenngröße. Insbesondere bei Industrierobotern ist häufig ein hohes Drehmoment nötig, um die Gelenke eines mehrgliedrigen Manipulators mit ausreichender Kraft zu bewegen. Methods for determining torque have a wide range of applications in drive technology. For example, to improve the driving behavior of motor vehicles used to transport people, the torque of the drive train is measured or determined mathematically. A powertrain typically includes a motor with a motor shaft, a motor controller, a torque sensor with a microcontroller, and a transmission with an output shaft. For the purposes of the invention, the person skilled in the art understands torque as the torque applied to the output shaft of the drive train. In addition to vehicle technology, torque is also an important parameter in robotics. Especially with industrial robots, high torque is often necessary to move the joints of a multi-link manipulator with sufficient force.
Die bisher bekannten Verfahren zum Bestimmen des Drehmoments eines Antriebsstrangs bestehen typischerweise darin, einen Drehmomentsensor an einer Ausgangswelle des Antriebsstrangs anzubringen. Ein solcher Drehmomentsensor wird im Allgemeinen dadurch gebildet, dass Dehnungsmessstreifen an einer Komponente des Getriebes, insbesondere einem elastischen Übertragungselement mit Außenverzahnung, angebracht werden und dass ein Drehmoment unter Zugrundelegung von Eingabedaten bestimmt wird, wobei die Eingabedaten durch die Dehnungsmessstreifen gemessen werden. Derartige Verfahren werden beispielsweise in den folgenden wissenschaftlichen Publikationen beschrieben: The previously known methods for determining the torque of a drive train typically consist of attaching a torque sensor to an output shaft of the drive train. Such a torque sensor is generally formed by attaching strain gauges to a component of the transmission, in particular an elastic transmission element with external teeth, and by determining a torque based on input data, the input data being measured by the strain gauges. Such procedures are described, for example, in the following scientific publications:
Hashimoto, Minoru, Yoshihide Kiyosawa, and Richard P. Paul. „A torque sensing technique for robots with harmonic drives.“ IEEE Transactions on Robotics and Automation 9.1 (1993): 108-116. Hashimoto, Minoru, and Yoshihide Kiyosawa. „Experimental study on torque control using Harmonic Drive built-in torque sensors.“ Journal of Robotic Systems 15.8 (1998): 435-445. Hashimoto, Minoru, Yoshihide Kiyosawa, and Richard P. Paul. “A torque sensing technique for robots with harmonic drives.” IEEE Transactions on Robotics and Automation 9.1 (1993): 108-116. Hashimoto, Minoru, and Yoshihide Kiyosawa. “Experimental study on torque control using Harmonic Drive built-in torque sensors.” Journal of Robotic Systems 15.8 (1998): 435-445.
Weitere bekannte Verfahren zum Bestimmen des Drehmoments stützen sich auf mathematische Formeln, die sich vom physikalischen Verhalten des Antriebsstrangs ableiten. Ein derartiges Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments wird beispielsweise im Patent DE 199 63 279 B4 mit dem Titel „Verfahren zum Feststellen eines Ausgangsdrehmoments einer Antriebsvorrichtung und Antriebsvorrichtung“ offenbart. Dabei wird das Ausgangsdrehmoment mittels einer mathematischen Formel hergeleitet, wobei eine Schmiermitteltemperatur des Getriebes, eine Drehzahl des Motors und ein Ausgangsdrehmoment des Motors als Eingabedaten verwendet werden. Es ist dabei nicht vorgesehen, dass ein Drehmomentsensor zum Einsatz kommt. Other known methods for determining torque are based on mathematical formulas that are derived from the physical behavior of the drive train. Such a method for determining the torque is disclosed, for example, in patent DE 199 63 279 B4 with the title “Method for determining an output torque of a drive device and drive device”. The output torque is derived using a mathematical formula, using a lubricant temperature of the transmission, a speed of the engine and an output torque of the engine as input data. It is not intended that a torque sensor is used.
Die oben genannten Ansätze erlauben zwar das Drehmoment des Antriebsstrangs zumindest in grober Näherung zu bestimmen, jedoch gibt es verschiedene auf den Antriebsstrang wirkende Störgrößen wie Trägheits- und Temperatureffekte, die durch die bekannten Verfahren nicht erfasst werden und die zu einer ungenauen Bestimmung des Drehmoments führen. Although the approaches mentioned above allow the torque of the drive train to be determined at least as a rough approximation, there are various disturbance variables acting on the drive train, such as inertia and temperature effects, which are not recorded by the known methods and which lead to an inaccurate determination of the torque.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments eines Antriebsstrangs bereitzustellen und damit die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest zum Teil zu überwinden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes mathematisches Modell zum Bestimmen eines Drehmoments bereitzustellen. It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for determining a torque of a drive train and thus to at least partially overcome the above-mentioned disadvantages of the prior art. Another object of the present invention is to provide an improved mathematical model for determining torque.
ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. In ihrer allgemeinsten Form betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments einer anzutreibenden Vorrichtung, insbesondere eines Antriebsstrangs. Das Verfahren kann dabei das Erfassen von Eingabedaten umfassen. Die Eingabedaten können eine durch einen Drehmomentsensor gemessene Spannung umfassen. Die Eingabedaten können ferner zumindest einen Signalwert einer Motorsteuerung umfassen. Des Weiteren kann das Verfahren das Bestimmen des Drehmoments mittels eines mathematischen Modells basierend auf der Spannung und dem zumindest einen Signalwert umfassen. Der Antriebsstrang ist vorzugsweise Teil eines Fahrzeuges oder Roboters und kann einen Motor mit einer Motorwelle, eine Motorsteuerung, einen Drehmomentsensor mit einem Mikrocontroller und ein Getriebe mit einer Ausgangswelle umfassen. Bei dem Motor kann es sich um einen Verbrennungsmotor, einen elektrischen Motor, eine Brennstoffzelle, einen Hybridantrieb oder einen anderen Energieumwandler handeln. These tasks are solved by the subject matter of the independent claims. In its most general form, the invention relates to a method for determining a torque of a device to be driven, in particular a drive train. The method can include acquiring input data. The input data may include a voltage measured by a torque sensor. The input data can further include at least one signal value from an engine control system. Furthermore, the method may include determining the torque using a mathematical model based on the voltage and the at least one signal value. The drive train is preferably part of a vehicle or robot and may include a motor with a motor shaft, a motor controller, a torque sensor with a microcontroller and a transmission with an output shaft. The engine can be an internal combustion engine, an electric motor, a fuel cell, a hybrid drive or another energy converter.
Unter dem Drehmoment des Antriebsstrangs wird dabei das zum Antrieb des Fahrzeuges, des Roboters bzw. einem Manipulatorglied des Roboters bereitstehende Drehmoment verstanden. Unter Drehmoment versteht der Fachmann das an der Ausgangswelle des Antriebsstrangs anliegende Drehmoment. Es handelt sich bei dem Drehmoment des Antriebsstrangs somit um das Ausgangsdrehmoment des Getriebes. Das Drehmoment des Antriebsstrangs kann beispielsweise direkt an die Räder des Fahrzeugs weitergeleitet werden. The torque of the drive train is understood to mean the torque available to drive the vehicle, the robot or a manipulator member of the robot. The expert understands torque to be the torque applied to the output shaft of the drive train. The torque of the drive train is therefore the output torque of the transmission. The torque of the drive train can, for example, be transmitted directly to the wheels of the vehicle.
Unter einem Bestimmen des Drehmoments mittels des mathematischen Modells versteht der Fachmann typischerweise jede Art des Ermittelns und/oder Berechnens im mathematischen Sinne. Dazu kann jede Art von mathematischer Operation angewendet werden, insbesondere auch iterative Verfahren oder das Lösen von Differentialgleichungen. Auch das Ablesen aus Tabellen kann zum Bestimmen des Drehmoments Anwendung finden. By determining the torque using the mathematical model, the person skilled in the art typically understands any type of determination and/or calculation in the mathematical sense. Any type of mathematical operation can be used, especially iterative procedures or solving differential equations. Reading from tables can also be used to determine torque.
Einige oder alle Verfahrensschritte können durch (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie zum Beispiel durch den Microcontroller des Drehmomentsensors. Es ist auch möglich, dass die Hardwarevorrichtung einen Prozessor, einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung umfasst. In einigen Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device, such as the torque sensor microcontroller. It is also possible for the hardware device to include a processor, a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, one or more of the key method steps may be performed by such a device.
Selbstverständlich kann das Verfahren voll automatisiert ablaufen. Es ist ebenfalls möglich, dass das Verfahren kontinuierlich in der für die Motortechnik üblichen Echtzeit durchlaufen wird. Of course, the process can be fully automated. It is also possible for the process to be carried out continuously in the real time that is usual for engine technology.
Typischerweise versteht der Fachmann unter Eingabedaten diejenigen Daten, die dem mathematischen Modell zur Bestimmung des Drehmoments zur Verfügung gestellt werden. Typically, the person skilled in the art understands input data to be the data that is made available to the mathematical model for determining the torque.
Die Motorsteuerung dient üblicherweise zur Steuerung und/oder der Regelung des Motors. Dabei kann die Motorsteuerung alle den Motor betreffenden Signalwerte, auslesen, messen und/oder speichern. Die Motorsteuerung kann Mittel zum Auslesen, Messen und/oder Speichern der Signalwerte aufweisen. Signalwerte können elektrische Signale wie beispielsweise Spannungen und/oder Stromstärken sein. Bei den Signalwerten kann es sich auch um Drücke, Temperaturen, Drehzahlen, Beschleunigungen und/oder Geschwindigkeiten handeln. Dabei kann die Motorsteuerung dem Anwendungsfall entsprechend Zugriff auf Sensoren, wie beispielsweise Temperatur- und/oder Drucksensoren, haben oder es können Signalwerte von den Sensoren an die Motorsteuerung übermittelt werden. Möglich ist es auch, dass die Motorsteuerung eine Vielzahl von Signalwerten gleichzeitig misst und an die anderen Komponenten des Antriebsstrangs übermittelt. The engine control is usually used to control and/or regulate the engine. The engine control can read out, measure and/or save all signal values relating to the engine. The engine control can have means for reading, measuring and/or Save the signal values. Signal values can be electrical signals such as voltages and/or currents. The signal values can also be pressures, temperatures, rotational speeds, accelerations and/or speeds. The engine control can have access to sensors, such as temperature and/or pressure sensors, depending on the application, or signal values can be transmitted from the sensors to the engine control. It is also possible for the engine control system to measure a large number of signal values at the same time and transmit them to the other components of the drive train.
Die Motorsteuerung kann ferner zur Regelung des Motors und/oder anderer Komponenten der abzutreibenden Vorrichtung ausgelegt sein. Dabei kann die Motorsteuerung beispielsweise die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs regeln. Die Regelung kann dabei durch einen als Algorithmus implementierten Regelkreis realisiert werden. The engine control can also be designed to control the engine and/or other components of the device to be aborted. The engine control can, for example, regulate the speed of a vehicle. The control can be implemented by a control loop implemented as an algorithm.
Der Drehmomentsensor ist vorzugsweise mit einem Mikrocontroller ausgerüstet. Das mathematische Modell oder zumindest Teile des mathematischen Modells können dabei auf dem Microcontroller implementiert sein. The torque sensor is preferably equipped with a microcontroller. The mathematical model or at least parts of the mathematical model can be implemented on the microcontroller.
Als Getriebe können Stirnradgetriebe, Kegelradgetriebe, Schraubenradgetriebe, Planetengetriebe oder Harmonie Drive Getriebe zum Einsatz kommen. Helical gears, bevel gears, helical gears, planetary gears or Harmonie Drive gears can be used as gears.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt vorteilhafterweise zur Verbesserung des Messverfahrens mittels Drehmomentsensors. Dabei können dem Verfahren neben der durch den Drehmomentsensor gemessenen Spannung zusätzliche Daten der Motorsteuerung zur Verfügung stehen, um das Drehmoment des Antriebsstrangs noch genauer zu bestimmen. Des Weiteren hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass dem mathematischen Modell Eingabedaten von verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere der Motorsteuerung und dem Drehmomentsensor, gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden können. Mit anderen Worten können gemessene Signalwerte von verschiedenen Sensoren zusammengeführt werden (Multi-Sensor-Fusion) und durch das mathematische Modell weiterverarbeitet werden. The method according to the invention advantageously leads to an improvement of the measuring method using a torque sensor. In addition to the voltage measured by the torque sensor, the method can provide additional data from the engine control system in order to determine the torque of the drive train even more precisely. Furthermore, the method according to the invention has the advantage that input data from various components of the drive train, in particular the engine control and the torque sensor, can be made available to the mathematical model at the same time. In other words, measured signal values from different sensors can be merged (multi-sensor fusion) and further processed by the mathematical model.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst der zumindest eine Signalwert der Motorsteuerung eine Motorposition und/oder eine Rotationsrichtung. Mit Motorposition ist dabei der Drehwinkel der aus dem Motor führenden Motorwelle gemeint. Die Motorwelle kann beispielsweise zu Anfang einen Drehwinkel von ungefähr 0° haben. Nach einer halben Umdrehung des Motors beträgt der Drehwinkel im Wesentlichen 180°. Mit Rotationsrichtung ist dabei die Richtung der Drehung der Motorwelle gemeint. Die Rotationsrichtung kann dabei im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn sein. Die Motorposition und die Rotationsrichtung haben den Vorteil, dass sie vorzugsweise als gespeicherte Daten in der Motorsteuerung vorliegen oder durch die Motorsteuerung gemessen werden. In a further aspect of the invention, the at least one signal value of the motor control comprises a motor position and/or a direction of rotation. The motor position refers to the angle of rotation of the motor shaft leading out of the motor. The motor shaft can for example, initially have a rotation angle of approximately 0°. After half a revolution of the motor, the rotation angle is essentially 180°. The direction of rotation means the direction of rotation of the motor shaft. The direction of rotation can be clockwise or counterclockwise. The motor position and the direction of rotation have the advantage that they are preferably available as stored data in the motor control or are measured by the motor control.
In einem weiteren Aspekt umfassen die Eingabedaten eine Temperatur. Temperaturen können dabei Schmiermitteltemperaturen des Getriebes oder eine im Motor gemessene Temperatur sein. Vorteilhafterweise kann das Verfahren somit mögliche auf das Drehmoment des Antriebsstrangs wirkende Temperatureffekte erfassen. In another aspect, the input data includes a temperature. Temperatures can be lubricant temperatures in the transmission or a temperature measured in the engine. Advantageously, the method can thus detect possible temperature effects acting on the torque of the drive train.
In einem weiteren Aspekt umfasst das mathematische Modell ein Finite-Elemente-Modell. Ein Finite-Elemente-Modell hat den Vorteil, dass beliebig komplexe Geometrien des Antriebsstrangs und dessen physikalisches Verhalten basierend auf Differenzialgleichungen und auf der Kontinuums-Theorie abgebildet werden können. Auch Nicht-Linearitäten bezüglich des Materials und/oder der Geometrie können problemlos abgebildet werden. In another aspect, the mathematical model includes a finite element model. A finite element model has the advantage that any complex geometry of the drive train and its physical behavior can be mapped based on differential equations and continuum theory. Non-linearities regarding the material and/or geometry can also be easily mapped.
In einem weiteren Aspekt umfasst das mathematische Modell ein maschinelles Lernmodell. Das maschinelle Lernmodell kann dabei insbesondere ein künstliches neuronales Netz sein. In another aspect, the mathematical model includes a machine learning model. The machine learning model can in particular be an artificial neural network.
Künstliche neuronale Netze (ANN; artificial neural network) sind Systeme, die durch biologische neuronale Netze inspiriert sind, wie sie in einer Netzhaut oder einem Gehirn zu finden sind. AN Ns umfassen eine Mehrzahl von zwischenverbundenen Knoten und eine Mehrzahl von Verbindungen, sogenannte Kanten (edges), zwischen den Knoten. Es gibt normalerweise drei Knotentypen, Eingabeknoten, die Eingabewerte empfangen, versteckte Knoten, die (nur) mit anderen Knoten verbunden sind, und Ausgabeknoten, die Ausgabewerte bereitstellen. Jeder Knoten kann ein künstliches Neuron darstellen. Jede Kante kann Information senden, von einem Knoten zum anderen. Die Ausgabe eines Knotens kann als eine (nichtlineare) Funktion der Eingaben definiert sein (z.B. der Summe seiner Eingaben). Die Eingaben eines Knotens können in der Funktion basierend auf einem „Gewicht“ der Kante oder des Knoten, der die Eingabe bereitstellt, verwendet werden. Das Gewicht von Knoten und/oder von Kanten kann in einem Lernprozess angepasst werden. Anders ausgedrückt, kann das Training eines künstlichen neuronalen Netzes ein Anpassen der Gewichte der Knoten und/oder Kanten des künstlichen neuronalen Netzes umfassen, d.h. um eine erwünschte Ausgabe für eine bestimmte Eingabe zu erreichen. Artificial neural networks (ANN) are systems inspired by biological neural networks, such as those found in a retina or brain. AN Ns include a plurality of interconnected nodes and a plurality of connections, called edges, between the nodes. There are usually three types of nodes, input nodes that receive input values, hidden nodes that are (only) connected to other nodes, and output nodes that provide output values. Each node can represent an artificial neuron. Each edge can send information from one node to another. The output of a node can be defined as a (nonlinear) function of the inputs (e.g. the sum of its inputs). A node's inputs can be used in the function based on a "weight" of the edge or node providing the input. The weight of nodes and/or edges can be adjusted in a learning process. In other words, training an artificial neural network can involve adjusting the weights of the Include nodes and/or edges of the artificial neural network, ie to achieve a desired output for a particular input.
Alternativ kann das maschinelle Lernmodell eine Support-Vector-Machine, ein Random-Fo- rest-Modell oder ein Gradient-Boosting-Modell sein. Support Vector Machines (d.h. Stützvektornetze) sind Supervised Learning-Modelle mit zugeordneten Lernalgorithmen, die verwendet werden können, um Daten zu analysieren (z.B. in einer Klassifizierungs- oder Regressionsanalyse). Support Vector Machines können durch Bereitstellen einer Eingabe mit einer Mehrzahl von Trainingseingabewerten, die zu einer von zwei Kategorien gehören, trainiert werden. Die Support Vector Machine kann trainiert werden, um einer der beiden Kategorien einen neuen Eingabewert zuzuweisen. Alternativ kann das maschinelle Lernmodell ein bayessches Netz sein, das ein probabilistisches gerichtetes azyklisches graphisches Modell ist. Ein bayessches Netz kann einen Satz von Zufallsvariablen und ihre bedingten Abhängigkeiten unter Verwendung eines gerichteten azyklischen Graphen darstellen. Alternativ kann das maschinelle Lernmodell auf einem genetischen Algorithmus basieren, der ein Suchalgorithmus und heuristische Technik ist, die den Prozess der natürlichen Selektion imitiert. Alternatively, the machine learning model can be a support vector machine, a random forest model or a gradient boosting model. Support Vector Machines are supervised learning models with associated learning algorithms that can be used to analyze data (e.g. in a classification or regression analysis). Support vector machines can be trained by providing input with a plurality of training input values belonging to one of two categories. The support vector machine can be trained to assign a new input value to either category. Alternatively, the machine learning model may be a Bayesian network, which is a probabilistic directed acyclic graphical model. A Bayesian network can represent a set of random variables and their conditional dependencies using a directed acyclic graph. Alternatively, the machine learning model may be based on a genetic algorithm, which is a search algorithm and heuristic technique that mimics the process of natural selection.
In einem weiteren Aspekt ist das maschinelle Lernmodell unter Verwendung zumindest eines Trainingsdatensatzes trainiert. Der zumindest eine Trainingsdatensatz kann eine durch einen Drehmomentsensor gemessene Spannung, zumindest einen Signalwert einer Motorsteuerung und ein Referenzdrehmoment umfassen. In a further aspect, the machine learning model is trained using at least one training data set. The at least one training data set can include a voltage measured by a torque sensor, at least one signal value from a motor control and a reference torque.
Der Trainingsdatensatz kann beispielsweise an einem Prüfstand erstellt werden. Dabei werden auf dem Prüfstand die durch den Drehmomentsensor gemessene Spannung, der zumindest eine Signalwert der Motorsteuerung und das Referenzdrehmoment bei verschiedenen Betriebszuständen des Antriebsstrangs gemessen. The training data set can, for example, be created on a test bench. The voltage measured by the torque sensor, the at least one signal value from the engine control and the reference torque are measured on the test bench in different operating states of the drive train.
Als Trainingsverfahren des maschinelles Lernmodells kann beispielsweise das „Supervised Learning“ zum Einsatz kommen. Beim Supervised Learning wird das maschinelle Lernmodell unter Verwendung einer Mehrzahl von Trainingsabtastwerten trainiert, wobei jeder Abtastwert eine Mehrzahl von Eingabedatenwerten und eine Mehrzahl von erwünschten Ausgabewerten, d.h. jedem Trainingsabtastwert ist ein erwünschter Ausgabewert zugeordnet, umfassen kann. Durch Angeben sowohl von Trainingsabtastwerten als auch erwünschten Ausgabewerten (hier dem oben genannten Referenzdrehmoment) „lernt“ das maschinelle Lernmodell, welcher Ausgabewert basierend auf einem Eingabeabtastwert, der ähnlich zu den während des Trainings bereitgestellten Abtastwerten ist, bereitzustellen ist. Neben dem Supervised Learning kann auch Semi-Supervised Learning verwendet werden. Beim Semi-Su- pervised Learning fehlt einigen der Trainingsabtastwerte ein erwünschter Ausgabewert. Supervised Learning kann auf einem Supervised Learning-Algorithmus basieren (z.B. einem Klassifizierungsalgorithmus, einem Regressionsalgorithmus oder einem Ähnlichkeitslernen- Algorithmus). Klassifizierungsalgorithmen können verwendet werden, wenn die Ausgaben auf eine begrenzte Menge von Werten (kategorische Variablen) beschränkt sind, d.h. die Eingabe ist als einer aus dem begrenzten Satz von Werten klassifiziert. Regressionsalgorithmen können verwendet werden, wenn die Ausgaben irgendeinen Zahlenwert (innerhalb eines Bereichs) ausweisen. Ähnlichkeitslernen-Algorithmen können sowohl Klassifizierungsais auch Regressionsalgorithmen ähnlich sein, basieren aber auf dem Lernen aus Beispielen unter Verwendung einer Ähnlichkeitsfunktion, die misst, wie ähnlich oder verwandt zwei Objekte sind. Neben dem Supervised Learning oder Semi-Supervised Learning kann Unsuper- vised Learning verwendet werden, um das maschinelle Lernmodell zu trainieren. Beim Unsu- pervised Learning werden möglicherweise (nur) Eingabedaten bereitgestellt und ein Unsup- ervised Learning-Algorithmus kann verwendet werden, um eine Struktur in den Eingabedaten zu finden (z.B. durch Gruppieren oder Clustern der Eingabedaten, Finden von Gemeinsamkeiten in den Daten). Clustern ist die Zuweisung von Eingabedaten, die eine Mehrzahl von Eingabewerten umfassen, in Teilmengen (Cluster), sodass Eingabewerte innerhalb desselben Clusters gemäß einem oder mehreren (vordefinierten) Ähnlichkeitskriterien ähnlich sind, während sie Eingabewerten, die in anderen Clustern umfasst sind, unähnlich sind. For example, “supervised learning” can be used as a training method for the machine learning model. In supervised learning, the machine learning model is trained using a plurality of training samples, where each sample can include a plurality of input data values and a plurality of desired output values, that is, a desired output value is assigned to each training sample. By specifying both training samples and desired output values (here the reference torque mentioned above), the machine learning model “learns” what output value should be based on an input sample that is similar to the Sample values provided during training must be provided. In addition to supervised learning, semi-supervised learning can also be used. In semi-supervised learning, some of the training samples lack a desired output value. Supervised learning can be based on a supervised learning algorithm (e.g. a classification algorithm, a regression algorithm or a similarity learning algorithm). Classification algorithms can be used when the outputs are restricted to a limited set of values (categorical variables), i.e. the input is classified as one from the limited set of values. Regression algorithms can be used when the outputs show any numerical value (within a range). Similarity learning algorithms can be similar to both classification and regression algorithms, but are based on learning from examples using a similarity function that measures how similar or related two objects are. In addition to supervised learning or semi-supervised learning, unsupervised learning can be used to train the machine learning model. In unsupervised learning, input data may be provided (only) and an unsupervised learning algorithm may be used to find structure in the input data (e.g. by grouping or clustering the input data, finding commonalities in the data). Clustering is the assignment of input data comprising a plurality of input values into subsets (clusters) such that input values within the same cluster are similar according to one or more (predefined) similarity criteria, while they are dissimilar to input values comprised in other clusters.
In einem weiteren Aspekt ist das mathematische Modell auf einem Mikrocontroller des Drehmomentsensors implementiert. Ein Vorteil dieser Implementierung ist es, dass das Bestimmen des Drehmoments mittels eines mathematischen Modells in seiner Gesamtheit auf dem Microcontroller ausgeführt werden kann und keine weiteren Komponenten zum Ausführen des mathematischen Modells notwendig sind. In a further aspect, the mathematical model is implemented on a microcontroller of the torque sensor. An advantage of this implementation is that determining the torque using a mathematical model can be carried out in its entirety on the microcontroller and no further components are necessary to execute the mathematical model.
In einem weiteren Aspekt wird das mittels des mathematischen Modells bestimmte Drehmoment an einen Regelkreis übermittelt. Dabei kann der Regelkreis dazu vorgesehen sein, eine Stromstärke des Motors und/oder eine Geschwindigkeit zu regeln. Vorteilhafterweise kann somit eine auf dem Regelkreis basierende Regelung verbessert werden. In a further aspect, the torque determined using the mathematical model is transmitted to a control loop. The control circuit can be intended to regulate a current strength of the motor and/or a speed. Advantageously, a control system based on the control loop can thus be improved.
In einem weiteren Aspekt weist das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung weitere Verfahrensschritte auf. Dabei kann in einem weiteren Schritt ein geschätztes Drehmoment basierend auf einer Stromstärke des Motors ermittelt werden. Des Weiteren kann eine obere Drehmomentgrenze und/oder eine untere Drehmomentgrenze basierend auf dem geschätzten Drehmoment ermittelt werden. Anschließend kann das mittels des mathematischen Modells bestimmte Drehmoment basierend auf der oberen Drehmomentgrenze und/oder der unteren Drehmomentgrenze bewertet werden. Die Stromstärke des Motors kann dabei von der Motorsteuerung als Signalwert ausgelesen werden. In a further aspect, the plausibility check procedure has further procedural steps. In a further step, an estimated torque can be obtained based on a current strength of the motor. Furthermore, an upper torque limit and/or a lower torque limit can be determined based on the estimated torque. The torque determined using the mathematical model can then be evaluated based on the upper torque limit and/or the lower torque limit. The current strength of the motor can be read out by the motor control as a signal value.
Das geschätzte Drehmoment kann beispielsweise durch folgende Formel ermittelt werden, wobei zuvor eine Drehmomentkonstante und eine Übersetzung des Getriebes durch die Motorsteuerung ermittelt worden ist: geschätztes Drehmoment = Stromstärke des Motors * Drehmomentkonstante * Übersetzung des Getriebes The estimated torque can be determined, for example, using the following formula, whereby a torque constant and a gear ratio of the gearbox have previously been determined by the motor control: estimated torque = current of the motor * torque constant * gear ratio of the gearbox
Die Bewertung des mittels des mathematischen Modells bestimmten Drehmoments kann beispielsweise durch folgende Bedingung geprüft werden: geschätztes Drehmoment - A < mittels des mathematischen Modells bestimmtes Drehmoment < geschätztes Drehmoment + A The evaluation of the torque determined using the mathematical model can be checked, for example, by the following condition: estimated torque - A < torque determined using the mathematical model < estimated torque + A
Dabei ist A ein Kalibrierungsparameter unter Berücksichtigung des aktuellen Genauigkeitsniveaus des geschätzten Drehmoments. Der Parameter A kann vorab im Microcontroller des Drehmomentsensors definiert und gespeichert werden. Solange das vom mathematischen Modell bestimmte Drehmoment innerhalb des Bereichs „geschätztes Drehmoment (strombasiert) ± A“ liegt, kann beurteilt werden, ob das mittels des mathematischen Modells bestimmte Drehmoment plausibel ist. Wenn das vom mathematischen Modell bestimmte Drehmoment außerhalb des Bereichs liegt, wird der Zustand „Fehler“ als Diagnosezustand bzw. Status ausgegeben. Where A is a calibration parameter taking into account the current level of accuracy of the estimated torque. Parameter A can be defined and saved in advance in the microcontroller of the torque sensor. As long as the torque determined by the mathematical model is within the range “estimated torque (current-based) ± A”, it can be assessed whether the torque determined using the mathematical model is plausible. If the torque determined by the mathematical model is out of range, the error condition is output as a diagnostic condition or status.
In einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung vorgesehen, insbesondere ein Mikrocontroller eines Drehmomentsensors, umfassend Mittel zur Ausführung eines der hierin beschriebenen Verfahren. In a further aspect, a device for data processing is provided, in particular a microcontroller of a torque sensor, comprising means for carrying out one of the methods described herein.
Die Vorrichtung zur Datenverarbeitung kann ein Speichermedium (oder ein Datenträger oder ein computerlesbares Medium) umfassen, das ein darauf gespeichertes Computerprogramm zum Ausführen eines der hierin beschriebenen Verfahren umfasst, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind in der Regel greifbar und/oder nicht übergangslos. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, wie hierin beschrieben, die einen Prozessor und das Speichermedium umfasst. The data processing device may comprise a storage medium (or a data carrier or a computer-readable medium) which comprises, stored thereon, a computer program for carrying out one of the methods described herein when it is used by one processor is running. The data carrier, digital storage medium or recorded medium is usually tangible and/or non-seamless. Another embodiment of the present invention is an apparatus as described herein that includes a processor and the storage medium.
In einer weiteren Ausführungsform sieht die Erfindung ein Computerprogramm vor, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen. In a further embodiment, the invention provides a computer program that includes instructions that, when the program is executed by a computer, cause it to carry out one of the methods described herein.
Erfindungsgemäß ist auch ein maschinelles Lernmodell zum Bestimmen eines Drehmoments eines Antriebsstrangs vorgesehen. Dabei kann das maschinelle Lernmodell Eingabemittel zum Empfangen von einer durch einen Drehmomentsensor gemessenen Spannung und zumindest einem Signalwert einer Motorsteuerung aufweisen. Des Weiteren kann das maschinelle Lernmodell Mittel zum Bestimmen des Drehmoments basierend auf der Spannung und dem zumindest einen Signalwert aufweisen. According to the invention, a machine learning model for determining a torque of a drive train is also provided. The machine learning model can have input means for receiving a voltage measured by a torque sensor and at least one signal value from a motor control. Furthermore, the machine learning model may have means for determining the torque based on the voltage and the at least one signal value.
Das maschinelle Lernmodell kann sich auf Algorithmen und statistische Modelle beziehen, die Computersysteme verwenden können, um eine bestimmte Aufgabe ohne Verwendung expliziter Anweisungen auszuführen, anstatt sich auf Modelle und Inferenz zu verlassen. Beim maschinellen Lernen kann beispielsweise anstatt einer auf Regeln basierenden Transformation von Daten, eine Transformation von Daten verwendet werden, die aus einer Analyse von Verlaufs- und/oder Trainingsdaten hergeleitet werden kann. Beispielsweise kann das physikalische Verhalten des Antriebsstrangs unter Verwendung eines maschinelle Lernmodells oder unter Verwendung eines Maschinenlern-Algorithmus analysiert werden. Damit das maschinelle Lernmodell das physikalische Verhalten des Antriebsstrangs analysieren kann, kann das maschinelle Lernmodell unter Verwendung von Trainingsdatensätzen als Eingabe und Trainingsinhaltsinformation als Ausgabe trainiert werden. Durch Trainieren des maschinelle Lernmodells mit einer großen Anzahl von Trainingsdatensätzen und/oder Trainingssequenzen (z.B. Signalwerten) und zugeordneter Trainingsinhaltsinformation (z.B. Kennzeichnungen oder Anmerkungen) „lernt“ das maschinelle Lernmodell, das physikalischen Verhalten des Antriebsstrangs zu erkennen, sodass das physikalische Verhalten, das in den Trainingsdaten nicht umfasst ist, unter Verwendung des maschinelle Lernmodells vorhergesagt werden kann. Das gleiche Prinzip kann für andere Arten von Sensordaten ebenfalls verwendet werden: Durch Trainieren eines maschinellen Lernmodells unter Verwendung von Trainingssensordaten und einer erwünschten Ausgabe „lernt“ das maschinelle Lernmodell eine Umwandlung zwischen den Sensordaten und der Ausgabe, was verwendet werden kann, um eine Ausgabe basierend auf an das maschinelle Lernmodell bereitgestellten Nicht- Trainings-Sensordaten bereitzustellen. Die bereitgestellten Daten (z.B. Sensordaten und/oder Metadaten) können vorverarbeitet werden, um einen Merkmalsvektor zu erhalten, welcher als Eingang für das maschinelle Lernmodell verwendet wird. The machine learning model can refer to algorithms and statistical models that computer systems can use to perform a specific task without using explicit instructions, instead of relying on models and inference. For example, in machine learning, instead of a rule-based transformation of data, a transformation of data can be used that can be derived from an analysis of historical and/or training data. For example, the physical behavior of the powertrain can be analyzed using a machine learning model or using a machine learning algorithm. In order for the machine learning model to analyze the physical behavior of the powertrain, the machine learning model can be trained using training data sets as input and training content information as output. By training the machine learning model with a large number of training data sets and/or training sequences (e.g. signal values) and associated training content information (e.g. labels or annotations), the machine learning model “learns” to recognize the physical behavior of the powertrain, such that the physical behavior contained in not included in the training data can be predicted using the machine learning model. The same principle can be used for other types of sensor data as well: By training a machine learning model using From training sensor data and a desired output, the machine learning model “learns” a transformation between the sensor data and the output, which can be used to provide an output based on non-training sensor data provided to the machine learning model. The provided data (e.g. sensor data and/or metadata) can be preprocessed to obtain a feature vector, which is used as input for the machine learning model.
In einer weiteren Ausführungsform sieht die Erfindung einen Trainingsdatensatz zum Trainieren des maschinellen Lernmodells vor. Dabei kann der zumindest eine Trainingsdatensatz eine durch einen Drehmomentsensor gemessene Spannung, zumindest einen Signalwert einer Motorsteuerung und ein Referenzdrehmoment umfassen. In a further embodiment, the invention provides a training data set for training the machine learning model. The at least one training data set can include a voltage measured by a torque sensor, at least one signal value from a motor control and a reference torque.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben: Preferred embodiments of the present disclosure are described below with reference to the following figures:
Fig. 1 : Antriebsstrang 1 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 1: Drive train 1 according to embodiments of the invention.
Fig. 2: Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Überblick. Fig. 2: Method according to embodiments of the invention at a glance.
Fig. 3A: Mathematisches Modell 9 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 3A: Mathematical model 9 according to embodiments of the invention.
Fig. 3B: Motorsteuerung 4 und Drehmomentsensor 5 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 3B: Motor control 4 and torque sensor 5 according to embodiments of the invention.
Fig. 4: Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 4: Method for plausibility checking according to embodiments of the invention.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei welchen ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments eines Antriebsstrangs zu Einsatz kommt, um damit den Antriebsstrang besonders effizient zu gestalten. Fig. 1 zeigt einen Antriebsstrang 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Antriebsstrang 1 kommt im dargestellten Beispiel in einem Personenkraftwagen zum Einsatz und umfasst einen Motor 2 mit einer Motorwelle 3, eine Motorsteuerung 4, einen Drehmomentsensor 5 mit einem Microcontroller, ein Datenübertragungssystem 6 und ein Getriebe 7 mit einer Ausgangswelle 8. Die Motorwelle 3 des Motors 2 ist mit dem Getriebe 7 in Verbindung und überträgt somit das vom Motor 2 erzeugte Motordrehmoment an das Getriebe 7. Das Getriebe 7 ist ein Harmonie Drive Getriebe mit einem elastischen Übertragungselement, das sich durch hohe Übersetzung und Steifigkeit auszeichnet. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspine bezeichnet. Das Getriebe 7 weist ferner eine Ausgangswelle 8 auf, wobei das Drehmoment der Ausgangswelle 8 an die Räder des Personenkraftwagens weitergegeben wird. Embodiments of the invention are described below, in which a method for determining a torque of a drive train is used in order to make the drive train particularly efficient. Fig. 1 shows a drive train 1 according to an embodiment of the invention. In the example shown, the drive train 1 is used in a passenger car and includes a motor 2 with a motor shaft 3, a motor control 4, a torque sensor 5 with a microcontroller, a data transmission system 6 and a transmission 7 with an output shaft 8. The motor shaft 3 of the motor 2 is connected to the gearbox 7 and thus transmits the engine torque generated by the engine 2 to the gearbox 7. The gearbox 7 is a Harmonie Drive gearbox with an elastic transmission element that is characterized by a high gear ratio and rigidity. The elastic transmission element is also known as a flexspine. The transmission 7 also has an output shaft 8, the torque of the output shaft 8 being passed on to the wheels of the passenger car.
Der Drehmomentsensor 5 umfasst einen Dehnungsmessstreifen, wobei der Dehnungsmessstreifen aus einem Halbleiter besteht und auf Grundlage des piezoresistiven Effekts eine an einem Widerstand anliegende Spannung misst. Eine Änderung des Widerstands und der Spannung entsteht dabei aufgrund einer Verformung des Dehnungsmessstreifens. Der Vorteil des eingesetzten Dehnungsmessstreifens im Vergleich zu üblichen Metall-Dehnungsmessstreifen liegt in der hohen Empfindlichkeit. The torque sensor 5 comprises a strain gauge, wherein the strain gauge consists of a semiconductor and measures a voltage applied to a resistor based on the piezoresistive effect. A change in resistance and tension occurs due to a deformation of the strain gauge. The advantage of the strain gauge used compared to conventional metal strain gauges is its high sensitivity.
Der Dehnungsmessstreifen des Drehmomentsensors 5 ist an einem elastischen Übertragungselement des Getriebes 7 angeordnet. Der Drehmomentsensor 5 ist somit im Getriebe 7 eingebettet. Der Drehmomentsensor 5 ist mit der Motorsteuerung 4 über ein Datenübertragungssystem 6 in Verbindung. Die Motorsteuerung 4 misst die den Motor 2 betreffenden Signalwerte und übermittelt die Signalwerte an den Drehmomentsensor 5. The strain gauge of the torque sensor 5 is arranged on an elastic transmission element of the transmission 7. The torque sensor 5 is thus embedded in the transmission 7. The torque sensor 5 is connected to the engine control 4 via a data transmission system 6. The engine control 4 measures the signal values relating to the engine 2 and transmits the signal values to the torque sensor 5.
Das Verfahren zum Bestimmen des Drehmoments ist in Form eines Computerprogramms auf dem Microcontroller des Drehmomentsensors 5 implementiert. Nachdem das Drehmoment bestimmt wurde, wird das Drehmoment über das Datenübertragungssystem 6 an die Motorsteuerung 4 übermittelt. The method for determining the torque is implemented in the form of a computer program on the microcontroller of the torque sensor 5. After the torque has been determined, the torque is transmitted to the engine control 4 via the data transmission system 6.
Fig. 2 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Das Verfahren gemäß der Ausführungsform umfasst die folgenden Schritte: Erster Schritt S1.1 : Der Drehmomentsensor 5 misst eine Spannung und gibt die Spannung an den Mikrocontroller weiter. Fig. 2 shows a method according to an embodiment of the invention in a schematic representation. The method according to the embodiment includes the following steps: First step S1.1: The torque sensor 5 measures a voltage and passes the voltage on to the microcontroller.
Zweiter Schritt S1 .2: Die Motorsteuerung 4 gibt einen Signalwert an den Mikrocontroller weiter. Second step S1 .2: The motor control 4 passes on a signal value to the microcontroller.
Dritter Schritt S1 .3: Ein auf dem Mikrocontroller implementiertes mathematisches Modell 9 bestimmt das Drehmoment basierend auf der Spannung und dem Signalwert. Third step S1.3: A mathematical model 9 implemented on the microcontroller determines the torque based on the voltage and the signal value.
Es versteht sich, dass die Reihenfolge der genannten Schritte S1.1 , S1.2 und S1.3 abhängig vom Anwendungsfall variieren kann. Es kann beispielsweise zuerst der Signalwert von der Motorsteuerung 4 an den Mikrocontroller weitergegeben und dann die Spannung vom Drehmomentsensor 5 gemessen und an den Mikrocontroller weitergegeben werden. Auch ein gleichzeitiger Ablauf des ersten Schritts S1.1 und des zweiten Schritts S1.2 ist möglich. It is understood that the order of the steps S1.1, S1.2 and S1.3 mentioned can vary depending on the application. For example, the signal value can first be passed on from the motor control 4 to the microcontroller and then the voltage can be measured by the torque sensor 5 and passed on to the microcontroller. A simultaneous execution of the first step S1.1 and the second step S1.2 is also possible.
Nach dem Bestimmen des Drehmoments kann das Drehmoment in einem weiteren, im Ausführungsbeispiel nicht dargestellten Schritt an die Motorsteuerung 4 übermittelt werden. After determining the torque, the torque can be transmitted to the engine control 4 in a further step, not shown in the exemplary embodiment.
Fig. 3A zeigt das mathematische Modell 9 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dem mathematischen Modell 9 werden verschiedene Signalwerte als Eingabedaten E übermittelt, wobei es sich im dargestellten Beispiel bei den Eingabedaten E um eine durch den Drehmomentsensor 5 gemessene Spannung II, eine Temperatur des Getriebes 0, eine Position des Motors Q und eine Drehrichtung des Motors
Figure imgf000014_0001
handelt. Das mathematische Modell 9 berechnet basierend auf den vier Signalwerten II, 0, Q und
Figure imgf000014_0002
ein Drehmoment T der Ausgangswelle 8 des Antriebsstrangs 1. Das berechnete Drehmoment T wird als Signalwert zur weiteren Nutzung bereitgestellt. Das mathematische Modell 9 ist dabei ein künstliches neuronales Netz, das vor dem Einsatz im Antriebsstrang 1 mittels Trainingsdaten trainiert wurde. Die Berechnung des Drehmoments T mittels des künstlichen neuronalen Netzes und die Komponenten des Antriebsstrangs 1 sind optimal auf die in der Motorentechnik geforderte harte Echtzeitanforderung eingestellt. Die Berechnungszeit liegt dabei in einem für Anwendungen der Motorsteuerung 4 üblichen Bereich.
3A shows the mathematical model 9 according to an embodiment of the invention. Various signal values are transmitted to the mathematical model 9 as input data E, whereby in the example shown, the input data E is a voltage II measured by the torque sensor 5, a temperature of the transmission 0, a position of the motor Q and a direction of rotation of the motor
Figure imgf000014_0001
acts. The mathematical model 9 calculates based on the four signal values II, 0, Q and
Figure imgf000014_0002
a torque T of the output shaft 8 of the drive train 1. The calculated torque T is provided as a signal value for further use. The mathematical model 9 is an artificial neural network that was trained using training data before use in the drive train 1. The calculation of the torque T by means of the artificial neural network and the components of the drive train 1 are optimally adjusted to the hard real-time requirements required in engine technology. The calculation time is in the usual range for engine control 4 applications.
Fig. 3B zeigt die Motorsteuerung 4 und den Drehmomentsensor 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Motorsteuerung 4 und der Drehmomentsensor 5 stehen über ein Datenübertragungssystem 6 miteinander in Verbindung und können sich somit gegenseitig die Signalwerte Q, I, T und Z zusenden. Im dargestellten Beispiel sendet die Motorsteuerung 4 dem Drehmomentsensor 5 die Position des Motors Q, die Drehrichtung des Motors
Figure imgf000015_0001
und eine Stromstärke des Motors I zu. Der Drehmomentsensor 5 übermittelt der Motorsteuerung 4 das Drehmoment T der Ausgangswelle 8 des Antriebsstrangs 1 und einen Status Z des Drehmomentsensors 5 zu.
3B shows the motor control 4 and the torque sensor 5 according to a further embodiment of the invention. The engine control 4 and the torque sensor 5 are connected to one another via a data transmission system 6 and can therefore send each other the signal values Q, I, T and Z. In the example shown, the Motor control 4 the torque sensor 5 the position of the motor Q, the direction of rotation of the motor
Figure imgf000015_0001
and a current strength of the motor I. The torque sensor 5 transmits the torque T of the output shaft 8 of the drive train 1 and a status Z of the torque sensor 5 to the engine control 4.
Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Datenübertragungssystem 6 um ein Ether- CAT System. Das Datenübertragungssystem 6 erfüllt somit vorteilhafterweise die Echtzeitanforderungen. Die Motorsteuerung 4 und ein Drehmomentsensor 5 können sich die Signalwerte Q, I, T und Z synchron zusenden oder austauschen. Des Weiteren können die Signalwerte und I von der Motorsteuerung 4 an den Drehmomentsensor 5 übermittelt werden und dort direkt weiterverwendet werden, um beispielsweise das Drehmoment T zu berechnen. Das Drehmoment T kann anschließend direkt zurück an die Motorsteuerung 4 übermittelt werden. In the example shown, the data transmission system 6 is an EtherCAT system. The data transmission system 6 thus advantageously meets the real-time requirements. The engine control 4 and a torque sensor 5 can send or exchange the signal values Q, I, T and Z synchronously. Furthermore, the signal values and I can be transmitted from the engine control 4 to the torque sensor 5 and used there directly, for example to calculate the torque T. The torque T can then be transmitted directly back to the engine control 4.
Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei werden alle Verfahrensschritte S2.1 , S2.2, S2.3, S2.4 und S2.5 auf einem zum Drehmomentsensor 5 gehörenden Microcontroller ausgeführt. Fig. 4 shows a method for plausibility checking according to an embodiment of the invention. All method steps S2.1, S2.2, S2.3, S2.4 and S2.5 are carried out on a microcontroller belonging to the torque sensor 5.
In einem ersten Schritt S2.1 empfängt der Microcontroller die Signalwerte Q,
Figure imgf000015_0002
und I von der Motorsteuerung 4 über das Datenübertragungssystem 6. Die Signalwerte umfassen dabei die Stromstärke des Motors I. In einem zweiten Schritt S2.2 berechnet der Microcontroller das Drehmoment T mittels eines auf dem Microcontroller implementierten mathematischen Modells 9 und basierend auf den Signalwerten
Figure imgf000015_0003
und I. Des Weiteren ermittelt der Microcontroller im zweiten Schritt S2.2 ein geschätztes Drehmoment basierend auf der Stromstärke des Motors I. Der Microcontroller ermittelt zusätzlich eine obere Drehmomentgrenze und eine untere Drehmomentgrenze basierend auf dem geschätzten Drehmoment. In einem dritten Schritt S2.3 bewertet der Microcontroller das mittels des mathematischen Modells 9 bestimmte Drehmoment T basierend auf der oberen Drehmomentgrenze und der unteren Drehmomentgrenze.
In a first step S2.1, the microcontroller receives the signal values Q,
Figure imgf000015_0002
and I from the motor control 4 via the data transmission system 6. The signal values include the current strength of the motor I. In a second step S2.2, the microcontroller calculates the torque T using a mathematical model 9 implemented on the microcontroller and based on the signal values
Figure imgf000015_0003
and I. Furthermore, in the second step S2.2, the microcontroller determines an estimated torque based on the current strength of the motor I. The microcontroller additionally determines an upper torque limit and a lower torque limit based on the estimated torque. In a third step S2.3, the microcontroller evaluates the torque T determined using the mathematical model 9 based on the upper torque limit and the lower torque limit.
Ist das mittels des mathematischen Modells 9 ermittelte Drehmoment T außerhalb der Drehmomentgrenzen, d.h. größer als der Wert, der durch die obere Drehmomentgrenze definiert wird, oder kleiner als der Wert, der durch die untere Drehmomentgrenze definiert wird, setzt der Microcontroller in einem weiteren Schritt S2.4 den Status Z auf „Fehler“. Ist das mittels des mathematischen Modells 9 ermittelte Drehmoment T innerhalb der Drehmomentgrenzen, d.h. kleiner als der Wert, der durch die obere Drehmomentgrenze definiert wird, und gleichzeitig größer als der Wert, der durch die untere Drehmomentgrenze definiert wird, setzt der Microcontroller in einem weiteren Schritt S2.5 den Status Z auf „plausibel“. If the torque T determined using the mathematical model 9 is outside the torque limits, ie greater than the value defined by the upper torque limit, or smaller than the value defined by the lower torque limit, the microcontroller sets S2 in a further step .4 the status Z to “Error”. If the torque T determined using the mathematical model 9 is within the torque limits, ie smaller than the value defined by the upper torque limit and at the same time greater than the value defined by the lower torque limit, the microcontroller sets in a further step S2.5 status Z to “plausible”.
Der Status Z und das Drehmoment T können in einem weiteren Schritt mittels des Datenübertragungssystems 6 an die Motorsteuerung 4 übermittelt werden. Das in Fig. 4 dargestellte Verfahren dient somit zur technischen Plausibilitätsüberprüfung des mittels des mathematischen Modells 9 ermittelten Drehmoments T. Wird der Status Z als „Fehler“ ausgegeben, wird das Drehmoment T für keine weiteren Berechnungen in der Motorsteuerung 6 eingesetzt. The status Z and the torque T can be transmitted to the engine control 4 in a further step using the data transmission system 6. The method shown in Fig. 4 is therefore used to check the technical plausibility of the torque T determined using the mathematical model 9. If the status Z is output as an “error”, the torque T is not used for any further calculations in the engine control 6.
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung primär für den Einsatz in Personenkraftwagen beschrieben wurden, sei erwähnt, dass sich die hier offenbarten Prinzipien gleichwohl in anderen Einsatzbereichen realisieren lassen, z.B. in Lastkraftwagen, Trucks, Motorrädern, Achsantriebe bei Robotern und Antriebe in Flugsimulatoren. Although embodiments of the invention have been described primarily for use in passenger vehicles, it should be mentioned that the principles disclosed here can nevertheless be implemented in other areas of application, for example in trucks, trucks, motorcycles, axle drives in robots and drives in flight simulators.
Die für die obigen Funktionen notwendigen Algorithmen bzw. Computerprogramme können zweckmäßig ganz oder in Teilen jeweils im Drehmomentsensor 5, im Microcontroller, in der Motorsteuerung 4 und/oder in einem anderen mit diesen Geräten in Verbindung stehenden Computersystem implementiert sein. Das Computersystem kann eine lokale Computervorrichtung (z.B. Personalcomputer, Laptop, Tablet-Computer oder Mobiltelefon) mit einem oder mehreren Prozessoren und einer oder mehreren Speichervorrichtungen oder kann ein verteiltes Computersystem (z.B. ein Cloud-Computing-System mit einem oder mehreren Prozessoren oder einer oder mehreren Speichervorrichtungen, die an verschiedenen Stellen verteilt sind, zum Beispiel an einem lokalen Client und/oder einer oder mehreren Remote- Server-Farms und/oder Datenzentren) sein. The algorithms or computer programs necessary for the above functions can expediently be implemented in whole or in part in the torque sensor 5, in the microcontroller, in the motor control 4 and/or in another computer system connected to these devices. The computing system may be a local computing device (e.g., personal computer, laptop, tablet computer, or cell phone) with one or more processors and one or more storage devices, or may be a distributed computing system (e.g., a cloud computing system with one or more processors or one or more Storage devices distributed at various locations, for example at a local client and/or one or more remote server farms and/or data centers).
Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder Software implementiert werden. Einige oder alle Verfahrensschritte können durch (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie es zum Beispiel ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein programmierbarer Computer oder eine elektronische Schaltung sein kann. Obwohl einige Aspekte im Rahmen einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einer Funktion eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Rahmen eines Verfahrensschritts be- schrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder einer Eigenschaft einer entsprechenden Vorrichtung dar. Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or software. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device, such as a processor, a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. Although some aspects have been described in the context of a device, it is clear that these aspects also represent a description of the corresponding method, where a block or a device corresponds to a method step or a function of a method step. Analogously, aspects that are described as part of a method step also represent a description of a corresponding block or element or a property of a corresponding device.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1 . Ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments (T) einer anzutreibenden Vorrichtung (1), insbesondere eines Antriebsstrangs, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: 1 . A method for determining a torque (T) of a device (1) to be driven, in particular a drive train, the method having the following method steps:
Erfassen von Eingabedaten (E), wobei die Eingabedaten (E) umfassen: eine durch einen Drehmomentsensor (5) gemessene Spannung (II); und zumindest einen Signalwert (Q,
Figure imgf000018_0001
I) einer Motorsteuerung;
Acquiring input data (E), the input data (E) comprising: a voltage (II) measured by a torque sensor (5); and at least one signal value (Q,
Figure imgf000018_0001
I) an engine control;
Bestimmen des Drehmoments (T) mittels eines mathematischen Modells (9) basierend auf der Spannung (II) und dem zumindest einen Signalwert (Q,
Figure imgf000018_0002
I).
Determining the torque (T) using a mathematical model (9) based on the voltage (II) and the at least one signal value (Q,
Figure imgf000018_0002
I).
2. Das Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der zumindest eine Signalwert (Q,
Figure imgf000018_0003
I) der Motorsteuerung (4) eine Motorposition (Q) und/oder eine Rotationsrichtung (^P) umfasst.
2. The method according to claim 1, wherein the at least one signal value (Q,
Figure imgf000018_0003
I) the motor control (4) comprises a motor position (Q) and/or a direction of rotation (^P).
3. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Eingabedaten (E) ferner eine Temperatur (0) umfassen. 3. The method according to any one of claims 1 to 2, wherein the input data (E) further comprises a temperature (0).
4. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mathematische Modell (9) ein Finite-Elemente-Modell umfasst. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the mathematical model (9) comprises a finite element model.
5. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mathematische Modell (9) ein maschinelles Lernmodell, insbesondere ein künstliches neuronales Netz, umfasst. 5. The method according to one of claims 1 to 3, wherein the mathematical model (9) comprises a machine learning model, in particular an artificial neural network.
6. Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das maschinelle Lernmodell unter Verwendung zumindest eines Trainingsdatensatzes trainiert ist, wobei der zumindest eine Trainingsdatensatz umfasst: eine durch einen Drehmomentsensor (5) gemessene Spannung (U); zumindest einen Signalwert (Q,
Figure imgf000018_0004
I) einer Motorsteuerung; und ein Referenzdrehmoment.
6. The method according to claim 5, wherein the machine learning model is trained using at least one training data set, the at least one training data set comprising: a voltage (U) measured by a torque sensor (5); at least one signal value (Q,
Figure imgf000018_0004
I) an engine control; and a reference torque.
7. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mathematische Modell (9) auf einem Mikrocontroller des Drehmomentsensors (5) implementiert ist. 7. The method according to one of claims 1 to 6, wherein the mathematical model (9) is implemented on a microcontroller of the torque sensor (5).
8. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das mittels des mathematischen Modells (9) bestimmte Drehmoment (9) an einen Regelkreis übermittelt wird, wobei der Regelkreis eine Stromstärke eines Motors (I) und/oder eine Geschwindigkeit regelt. 8. The method according to one of claims 1 to 7, wherein the torque (9) determined by means of the mathematical model (9) is transmitted to a control loop, the control loop regulating a current strength of a motor (I) and / or a speed.
9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung die folgenden weiteren Verfahrensschritte aufweist: 9. The method according to one of claims 1 to 8, wherein the method for plausibility checking has the following further method steps:
Ermitteln eines geschätzten Drehmoments basierend auf einer Stromstärke eines Motors (I); Determining an estimated torque based on a current of a motor (I);
Ermitteln einer oberen Drehmomentgrenze und unteren Drehmomentgrenze basierend auf dem geschätzten Drehmoment; determining an upper torque limit and lower torque limit based on the estimated torque;
Bewerten des mittels des mathematischen Modells (9) bestimmten Drehmoments (T) basierend auf der oberen Drehmomentgrenze und der unteren Drehmomentgrenze. Evaluating the torque (T) determined using the mathematical model (9) based on the upper torque limit and the lower torque limit.
10. Eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung, insbesondere ein Mikrocontroller eines Drehmomentsensors (5), umfassend Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9. 10. A device for data processing, in particular a microcontroller of a torque sensor (5), comprising means for carrying out the method according to any one of claims 1 to 9.
11. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen. 11. Computer program comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the method according to any one of claims 1 to 10.
12. Ein maschinelles Lernmodell zum Bestimmen eines Drehmoments (T) eines Antriebsstrangs (1), wobei das maschinelle Lernmodell aufweist: 12. A machine learning model for determining a torque (T) of a drive train (1), the machine learning model having:
Eingabemittel zum Empfangen von: einer durch einen Drehmomentsensor (5) gemessenen Spannung (U); und zumindest einem Signalwert einer Motorsteuerung (Q,
Figure imgf000019_0001
I); und Mittel zum Bestimmen des Drehmoments (T) basierend auf der Spannung (II) und dem zumindest einen Signalwert (Q,
Figure imgf000020_0001
I).
Input means for receiving: a voltage (U) measured by a torque sensor (5); and at least one signal value from an engine control (Q,
Figure imgf000019_0001
I); and Means for determining the torque (T) based on the voltage (II) and the at least one signal value (Q,
Figure imgf000020_0001
I).
13. Ein Trainingsdatensatz zum Trainieren des maschinellen Lernmodells nach Anspruch 12, wobei der zumindest eine Trainingsdatensatz umfasst: eine durch einen Drehmomentsensor (5) gemessene Spannung (II); zumindest einen Signalwert einer Motorsteuerung (Q,
Figure imgf000020_0002
I); und ein Referenzdrehmoment.
13. A training data set for training the machine learning model according to claim 12, wherein the at least one training data set comprises: a voltage (II) measured by a torque sensor (5); at least one signal value from an engine control (Q,
Figure imgf000020_0002
I); and a reference torque.
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