DE102017222834A1

DE102017222834A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Drehrichtung einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017222834A1
Application number: DE102017222834.2A
Authority: DE
Inventors: Bastian Reineke; Jonathan Mueller; Wolfgang Fischer; Stefan Grodde
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-06-19
Also published as: CN110017214A; CN110017214B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehrichtung (α,α) einer Welle (17), insbesondere einer Kurbelwelle (17') einer Brennkraftmaschine (112), welche mit einer elektrischen Maschine (30), umfassend einen Rotor (32) und einen Stator (33) mit zumindest einer Phasenwicklung (U, V, W), direkt oder übersetzt gekoppelt ist, wobei zumindest ein Phasensignal (Uu, Uv, Uw, lu, Iv, I) der elektrischen Maschine (30) zumindest einen Wert (W, W, W, W, W, W, Wuo, Wvo, Wwo) aufweist, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors (32) auftritt, wobei ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts (W, W, W, W, W, W, W, W, W) eines Phasensignals (U, U, U, I, I, I) und zumindest ein weiteres Kriterium zur Bestimmung der Drehrichtung (α,α) herangezogen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Recheneinheit, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehrichtung einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, welche mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator mit zumindest einer Phasenwicklung, direkt oder übersetzt gekoppelt ist.
Stand der Technik
Die Drehwinkelposition und die Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sind wesentliche Eingangsgrößen für viele Funktionen der elektronischen Motorsteuerung. Zu ihrer Ermittlung, können auf einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine rotierenden Körper in gleichen Winkelabständen Markierungen vorgesehen sein. Das Vorbeistreichen einer Markierung infolge der Kurbelwellendrehung, kann durch einen Sensor erfasst und als elektrisches Signal an eine Auswertelektronik weitergegeben werden.
Diese Elektronik bestimmt für die jeweilige Drehwinkelposition der Kurbelwelle, das jeweils hierfür hinterlegte Signal für die Markierung bzw. misst eine Zeitdifferenz zwischen zwei Markierungen und kann aufgrund des bekannten Winkelabstands zweier Markierungen zueinander, die Winkelgeschwindigkeit und daraus die Drehzahl ermitteln. Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Motorrädern, Mopeds oder Krafträdern, können die Markierungen beispielweise durch Zähne eines metallischen Zahnrads, eines sogenannten Geberrads, bereitgestellt werden, welche durch ihre Bewegung in dem Sensor eine Änderung des Magnetfelds bewirken. Eine Lücke von einigen Zähnen kann als Bezugsmarke zur Erkennung der absoluten Position dienen.
Während bei Pkws zumeist 60-2 Zähne verwendet werden (gleichmäßige Verteilung von 60 Zähnen, wobei zwei ausgespart bleiben), kommen bei Motor- bzw. Krafträdern beispielweise auch 36-2, 24-2 oder 12-3 Zähne zum Einsatz. Bei diesem indirekten Prinzip der Drehgeschwindigkeitsbestimmung bzw. Drehwinkelpositionsbestimmung der Kurbelwelle, wird die Auflösung des Drehzahlsignals bzw. die absolute Erfassung der Drehwinkelposition durch die Anzahl der Zähne und durch eine sichere Erkennung der Bezugsmarke bestimmt. Diese Systeme sind typischerweise invariant in Bezug auf die Drehrichtung, weshalb auch die Drehrichtung der Welle, bzw. eine Veränderung der Drehrichtung der Welle allein auf Basis der durch die Zähne bewirkten Signale nicht ermittelbar ist.
Bei jedem modernen Fahrzeug mit Brennkraftmaschine, ist ein Generator verbaut, der durch die Drehung der Kurbelwelle angetrieben wird. Dieser liefert elektrische Signale und dient zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und dem Aufladen der Fahrzeugbatterie. Der vorgesehene Betrieb eines Fahrzeugs ohne diesen Generator, ist nicht oder nur für kurze Zeit möglich.
Eine Nutzung der elektrischen Ausgangsgrößen einer über die Kurbelwelle angetriebenen elektrischen Maschine (Generator), wird beispielweise in der EP 0 664 887 B1 zur Drehzahlbestimmung verwendet. Hierzu wird eine Phase des Generators als Referenz zur Verfügung gestellt, an welcher eine pulsierende Gleichspannung anliegt.
Es wäre daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, auch ohne den Einsatz zusätzlicher Bauteile eine Drehrichtung des Rotors der elektrischen Maschine bzw. der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, die zur Steuerung einer Brennkraftmaschine verwendbar ist, zu erhalten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Drehrichtung einer Welle, vorzugsweise einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftrades, welche mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator mit zumindest einer Phasenwicklung direkt oder übersetzt, jedoch mit fester Winkelrelation zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, gekoppelt ist, wird aus zumindest einem Phasensignal der elektrischen Maschine zumindest ein Wert, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors auftritt, ermittelt, wobei ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts eines Phasensignals und zumindest ein weiteres Kriterium zur Bestimmung der Drehrichtung der Welle herangezogen wird.
Es versteht sich, dass die Welle entweder die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder die Welle des Rotors sein kann, die fest an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zur Übertragung von Drehbewegung gekoppelt ist. Im Rahmen der Erfindung ist der zumindest eine Wert mit einer aufsteigenden Flanke des Phasensignals, mit einer abfallenden Flanke des Phasensignals und/oder mit Nulldurchgängen des Phasensignals assoziiert, wobei die aufsteigenden Flanken, und/oder die abfallenden Flanken des Phasensignals und/oder die Nulldurchgänge des Phasensignals zur Bestimmung der Drehrichtung der Welle herangezogen werden. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da sowohl aufsteigende Flanken, abfallende Flanken als auch Nulldurchgänge des Phasensignals in den Spannungssignalen der elektrischen Maschine besonders einfach und exakt detektierbar sind, was eine Ermittlung einer Drehrichtung der Welle entsprechend sicher vorhersagbar macht.
Das Verfahren ist insbesondere zur Erkennung von Rückdrehungen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine geeignet, die während eines Betriebs der Brennkraftmaschine bzw. einer Deaktivierung der Brennkraftmaschine auftreten kann. Ohne das erfindungsgemäße Verfahren geht bei einer Rückdrehung der Kurbelwelle die Erkenntnis über die exakte Position der Kurbelwelle verloren, da aufgrund der aus dem Stand der Technik bekannten, typischerweise rotationsinvarianten Systeme, eine derartige Rückdrehung der Kurbelwelle nicht ohne weiteres erkennbar ist. Tritt eine Rückdrehung der Kurbelwelle, beispielsweise im Betriebszustand „Motorstopp“ - Brennkraftmaschine wird deaktiviert - auf, muss der Verbrennungsmotor beim darauffolgenden Start länger, z. B. durch einen an die Brennkraftmaschine gekoppelten Anlasser, geschleppt werden, bevor erneut eine Bezugsmarke am Drehzahlgeber erreicht ist, wodurch im Motorsteuergerät ein Synchronisationszustand getriggert wird und eine ordnungsgemäße Einspritzung und Zündung im erneuten Arbeitstakt erfolgen kann.
Dies verzögert den Startvorgang sowie die Zeit zum Erreichen einer gewünschten Drehzahl, wie sie z. B. im Leerlaufzustand vorliegen kann, unnötig. Somit weist das Verfahren den Vorteil auf, dass innerhalb von Bruchteilen einer Gesamtumdrehung der Kurbelwelle ein Rückdrehen derselben erkennbar ist, wodurch stets die exakte Kurbelwellenposition im laufenden Betrieb mitgeschnitten wird und ein Startvorgang entsprechend schneller erfolgen kann. Hierdurch kann eine gewünschte Drehzahl der Brennkraftmaschine noch schneller erzielt werden.
Besondere Vorteile entfaltet das Verfahren auch bei Motorrädern bzw. sonstigen Leichtkrafträdern. Ein entsprechender Motorschutz kann im Rahmen der Erfindung z.B. dadurch gewährleistet werden, dass beispielsweise beim Starten der Brennkraftmaschine zumindest einer der Kolben den Zünd-OT nicht überwindet und zurückdreht. In diesem Zustand sollte keine Zündung des Brennstoff- Luftgemisches im Kolben erfolgen, da sich ansonsten das gezündete Gemisch nach dem rückwärts ablaufenden Kompressionstakt in den Frischluftpfad entladen würde, wodurch eine entsprechende Beschädigung desselben bewirkt werden könnte.
Wie bereits eingangs erwähnt, kann das Verfahren grundsätzlich zur Bestimmung der Drehrichtung der Welle, insbesondere der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine herangezogen werden. Im Speziellen kann jedoch ein Rückdrehen der Kurbelwelle, entgegen der durch die Brennkraftmaschine bedingten Vorzugsrichtung der Drehung, sicher erkannt werden. Derartige Drehbewegung entgegen der üblichen Vorzugsrichtung der Brennkraftmaschine, im Nachfolgenden Rückdrehungen genannt, können z. B. beim Abschalten der Brennkraftmaschine auftreten. Dies geschieht dadurch, dass die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vor der endgültigen Ruhelage nach Abstellen, beispielsweise der Zündung, ein Rückdrehmoment erfährt, welches durch zumindest einen der Zylinder der Brennkraftmaschine bewirkt wird, welche als Gasfeder wirken. Eine weitere Situation, in der es zu einer Rückdrehung der Kurbelwelle kommen kann, ist eine Bewegung des Fahrzeugs im ausgeschalteten Zustand der Brennkraftmaschine bei geschlossenem Antriebsstrang. Hierdurch kann es zu einer bei der Deaktivierung der Brennkraftmaschine eingenommenen Verstellung der Ruhelage kommen, welche bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine im Rahmen der Drehzahlerfassung mittels des Steuergeräts erst wieder synchronisiert werden muss, um die tatsächliche Position der Kurbelwelle entsprechend abzugleichen.
Auch bei einem abgebrochenen Motorstart, bei dem ein in die Brennkraftmaschine eingreifender Anlasser, derart zu früh ausgespurt wird, dass zumindest einer der Kolben den Zünd-OT nicht überwindet und infolgedessen die gesamte Brennkraftmaschine nicht startet, kann zu einer entsprechenden Rückdrehbewegung aufgrund des in dem zumindest einen Zylinder komprimierten Luft-Kraftstoffgemisches (Gasfeder) kommen.
Auch bei laufendem Betrieb der Brennkraftmaschine kann es insbesondere im Leerlauf bei niedrigen Drehzahl der Brennkraftmaschine zu einer Rückdrehung der Kurbelwelle kommen, wenn durch ein plötzliches Öffnen der Drosselklappe eine zu große Füllung in zumindest einen der Brennräume gelangt. Insbesondere bei Motoren mit einem hohen Verdichtungsverhältnis und/oder wenig Zylindern und/oder einem großen Zylindervolumen, können sich derartige Zustände leicht einstellen.
Derartige Zustände können im Rahmen des zuvor genannten Verfahrens einfach und sicher erkannt werden. Das zuvor genannte Verfahren eignet sich insbesondere für Systeme, in denen bereits eine Drehzahlerkennung im Rahmen der elektrischen Maschine implementiert ist.
Insbesondere die im Rahmen der zuvor genannten Betriebszuständen beschriebenen Nachteile können mittels des Verfahrens verhindert werden, wobei in vorteilhafter Weise lediglich auf Systemkomponenten, in Form einer elektrischen Maschine und/oder eines weiteren Drehzahlgebers, insbesondere eines induktiven Drehzahlgebers, zurückgegriffen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als weiteres Kriterium der Signalverlauf des Drehzahlgebers, insbesondere eines induktiven Drehzahlsensors, zur Bestimmung der Drehrichtung der Welle herangezogen. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, da auch Systeme mit einem induktiven Drehzahlgeber und einer elektrischen Maschine, die bei derartigen Systemen grundsätzlich immer zur Energieversorgung eines Bordnetzes vorhanden ist, genutzt werden können, um eine Rückdrehung der Brennkraftmaschine sicher erkennen zu können. Hierbei ist es grundsätzlich ausreichend, wenn die elektrische Maschine eine einphasige elektrische Maschine ist, und auf Basis der einen Phase die Phasensignale und die Signale des Drehzahlgebers zur Bestimmung der Drehrichtung der Kurbelwelle herangezogen werden. Dies macht diese Ausführungsform besonders vorteilhaft, da die Anforderungen an die elektrische Maschine auf ein Mindestmaß reduziert werden, da lediglich eine Phase zur Bestimmung der Drehrichtung der Kurbelwelle in Kombination mit dem induktiven Drehzahlsensor erforderlich ist. Die elektrische Maschine kann auch eine mehrphasige elektrische Maschine sein, wobei lediglich eine oder zwei der Phasen und das Signal eines entsprechenden Drehzahlgebers zu Bestimmung einer Rückdrehung der Brennkraftmaschine herangezogen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei einem Vorliegen einer ersten Gradientenart der Steigung im Signalverlauf des induktiven Drehzahlsensors im Zeitbereich nach dem Auftreten des Werts, der mit der Phasenspannung des Generators assoziiert wird, auf eine Vorwärtsdrehung der Welle oder bei einem Vorliegen einer weiteren Gradientenart der Steigung im Signalverlauf der induzierten Spannung des Drehzahlsensors im Zeitbereich nach dem Auftreten des Werts des zumindest einen Phasensignals, die von der ersten Gradientenart verschieden ist, auf ein Rückwärtsdrehen der Welle geschlossen. Bei den jeweiligen Gradientenarten handelt es sich um positive oder negative Gradienten im Signalverlauf. Je nach Phasenlage der Signalverläufe des Induktionsgebers bzw. der Phasensignale können somit positive oder negative Gradienten mit einer Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung assoziiert sein. Bei einem Vorwärtsdrehen handelt es sich, wie bereits eingangs definiert, um die übliche Vorzugsdrehrichtung der Brennkraftmaschine während ihres Betriebs. Eine Rückwärtsdrehung der Welle ist somit eine Drehbewegung in entgegengesetzter Richtung zur Vorzugsrichtung. Beim Gradienten der Steigung handelt es sich um die jeweilige Steigung im Signalverlauf der jeweiligen Signale, d.h. Signalverlauf der induzierten Spannung bzw. Signalverlauf des jeweiligen Phasensignals. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da hieraus eine entsprechende Drehbewegung besonders einfach und sicher erkannt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform werden als weiteres Kriterium zumindest zwei weitere Werte des Phasensignals herangezogen, wobei der erste Wert und die zwei weiteren Werte aus jeweils verschiedenen Phasensignalen abgeleitet werden, wobei anhand der zeitlichen Reihenfolge des ersten Werts und der zwei weiteren Werte auf die Drehrichtung der Welle geschlossen wird. Da das Auftreten der Phasensignale bei einer drei- oder mehrphasigen elektrischen Maschine nicht invariant unter einer Veränderung der Drehrichtung ist, kann aufgrund der Abfolge charakteristischer Werte der verschiedenen Phasensignale auf das Vorliegen einer Vorwärts- bzw. Rückwärtsdrehung der Welle geschlossen werden. Das zuvor genannte Ausführungsbeispiel ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da lediglich auf Basis der Phasensignale der elektrischen Maschine auf die Drehrichtung des Rotors und damit auch auf die Drehrichtung der mit dem Rotor verbundenen Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, geschlossen werden kann, ohne dass es hierzu einer weiteren Sensorik, insbesondere einer induktiven Drehzahlsensorik, bedarf.
In einer weiteren Ausführungsform wird als weiteres Kriterium zumindest ein weiterer Wert des Phasensignals herangezogen, wobei der erste Wert und der zweite Wert aus jeweils verschiedenen Phasensignalen abgeleitet werden, wobei anhand des Flankentyps bzw. der Art des Gradienten der Flanke (steigend oder fallend) des zweiten Werts, der zeitlich auf den ersten Wert folgt auf die Drehrichtung geschlossen wird. Da das Auftreten der Phasensignale bei einer drei- oder mehrphasigen elektrischen Maschine nicht invariant unter einer Veränderung der Drehrichtung ist, kann aufgrund des Flankentyps des zweiten Werts auf die Drehrichtung geschlossen werden. Das zuvor genannte Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, falls nicht alle Phasen eines Generators zur Drehzahl- und Positionserfassung der Welle herangezogen werden sollen, sondern lediglich die Information der Drehrichtung extrahiert werden soll.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei einem Vorliegen einer unmittelbaren zeitlichen Abfolge des ersten Werts, des zweiten Werts und des weiteren Werts auf ein Rückwärtsdrehen der Welle oder bei einem Vorliegen einer unmittelbaren zeitlichen Abfolge des ersten Werts, des weiteren Werts und des zweiten Werts auf ein Vorwärtsdrehen der Welle geschlossen. Die zuvor genannte Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da lediglich auf Basis einer Abfolge des Auftretens der jeweiligen Werte relativ zueinander auf die Drehrichtung der Welle rückgeschlossen werden kann, wodurch eine besonders einfache und robuste Erkennung der Drehrichtung der elektrische Maschine implementierbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Drehrichtung der Kurbelwelle zur Steuerung der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Steuerung der Zündung und/oder der Einspritzung zumindest eines Zylinders der Brennkraftmaschine, verwendet. Eine Erfassung und Verarbeitung der Phasensignale der elektrischen Maschine, insbesondere durch ein Motorsteuergerät, kann entsprechend zur Steuerung der Zündung bzw. zur Momentensteuerung der Brennkraftmaschine in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine herangezogen werden. Eine entsprechende Steuerung in einem übergeordneten Steuergerät, insbesondere einem Motorsteuergerät, ist besonders bevorzugt, da dieses ohnehin bereits vorhanden ist und entsprechend auf die Systemressourcen zurückgegriffen werden kann, wodurch die entsprechenden Funktionalitäten zur Drehrichtungserkennung als auch zur Steuerung der Brennkraftmaschine in einem Steuergerät zusammengefasst werden kann, wodurch sich Synergieeffekte hinsichtlich einer gemeinsam nutzbaren Regel- und Kommunikationsstruktur ergeben.
Hierfür weist die verwendete Recheneinheit, die vorzugsweise als Motorsteuergerät für die Brennkraftmaschine ausgebildet ist, eine entsprechende integrierte Schaltung und/oder einen auf einem Speicher gespeichertes Computerprogramm auf, die bzw. das zur Durchführung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte eingerichtet ist bzw. sind.
Die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das vorzugsweise auf einem Datenträger, insbesondere einem Speicher in Form Software gespeichert ist, und in der Recheneinheit zur Ausführung des Verfahrens zur Verfügung steht bzw. das Vorsehen einer integrierten Schaltung, insbesondere eines ASIC (Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung), ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere dann, wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin bereits vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie sie vielfach aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Geberrad mit Sensor, insbesondere zur Drehzahlbestimmung;
2a bis c zeigen eine schematische Darstellung einer an eine Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (a, b), und die dazugehörigen Signalverläufe (c);
3 zeigt schematisch eine elektrische Maschine, mit den entsprechenden zugehörigen Phasensignalen;
4a und 4b zeigen mögliche Spannungsverläufe der Phasen einer dreiphasigen elektrischen Maschine (a) und eine vergrößerte Darstellung einer der Phasen (b);
5 zeigt ein System aufweisend eine elektrische Maschine und einen induktiven Sensor zur Erfassung der Drehrichtung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
6 zeigt ein System aufweisend eine mehrphasige elektrische Maschine zur Erfassung der Drehrichtung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
7a, 7b zeigen Phasenverläufe verschiedener Phasensignale der elektrischen Maschine und ein Signal eines induktiven Drehzahlsensors bei einem Vorwärtsdrehen (a) oder einem Rückwärtsdrehen (b) des Rotors der elektrischen Maschine; und
8a, 8b zeigen Phasenverläufe verschiedener Phasensignale der elektrischen Maschine aus 7a und 7 b in einer vergrößerten, idealisierten Darstellung.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 sind schematisch ein Geberrad 20 und ein zugehöriger induktiver Sensor 10 eines Drehzahlgebers G dargestellt, wie sie im Stand der Technik zur Drehzahlbestimmung bzw. zur näherungsweisen Ermittlung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle verwendet werden. Das Geberrad 20 ist dabei fest mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbunden und der Sensor 10 ist ortsfest an einer geeigneten Stelle angebracht.
Das Geberrad 20, üblicherweise aus einem ferromagnetischen Material gefertigt, weist Zähne 22 auf, die an der Außenseite mit einem Abstand 21 zwischen zwei Zähnen 22 angeordnet sind. An einer Stelle auf der Außenseite weist das Geberrad 20 eine Lücke 23 in der Länge einer vorbestimmten Anzahl von Zähnen auf. Diese Lücke 23 dient als Bezugsmarke zur Erkennung einer absoluten Position des Geberrads 20.
Der Sensor 10 weist einen Stabmagnet 11 auf, an welchem ein weichmagnetischer Polstift 12 angebracht ist. Der Polstift 12 wiederum ist von einer Induktionsspule 13 umgeben. Bei Rotation des Geberrads laufen abwechselnd Zähne 22 und zwischen jeweils zwei Zähnen liegende Leerräume an der Induktionsspule 13 des Sensors 10 vorbei. Da das Geberrad und somit auch die Zähne 22 aus einem ferromagnetischen Material sind, wird bei der Rotation in der Spule ein Signal induziert, womit zwischen einem Zahn 22 und einem Luftspalt unterschieden werden kann.
Durch Korrelation einer Zeitdifferenz zwischen zwei Zähnen mit einem Winkel, den diese zwei Zähne einschließen, können die Winkelgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl und darüber hinaus auch die entsprechende Winkelposition der Kurbelwelle näherungsweise berechnet werden.
An der Lücke 23 weist das induzierte Signal in der Induktionsspule einen anderen Verlauf auf, als bei den ansonsten sich mit Leerräumen abwechselnden Zähnen 22. Auf diese Art ist eine absolute Positionsmarke, jedoch nur in Bezug auf eine volle Kurbelwellenumdrehung, möglich. Allein aus den Ausgangssignalen in Form einer induzierten Spannung U_Ind (vgl. hierzu 7a und 7b) ist die Drehrichtung des Gebberrads nicht ablesbar, da die induzierte Spannung U_Ind geometriebedingt invariant unter Änderungen der Drehrichtung ist.
In 2a ist eine Brennkraftmaschine 112 abgebildet, an die direkt oder übersetzt gekoppelt eine elektrische Maschine 30 angebunden ist, wobei die elektrische Maschine 30 durch die Kurbelwelle 17' der Brennkraftmaschine 112 angetrieben wird. Somit weist die Drehzahl n_Gen der elektrischen Maschine 30 und die Drehzahl n_BKM der Kurbelwelle 17' sowie die Winkelposition ϑ₁ des Rotors der elektrischen Maschine 30 und die Drehwinkelposition ϑ der Kurbelwelle 17' ein festes Verhältnis zueinander auf. Der elektrischen Maschine 30 ist zudem ein Laderegler LR zugeordnet, der die Batterie B innerhalb des Bordnetzes 110, entsprechend der noch verbleibenden Kapazität der Batterie B, mit Energie versorgt.
Des Weiteren ist eine Recheneinheit, insbesondere ein Motorsteuergerät 122 vorgesehen, das Daten über eine Kommunikationsverbindung 124 mit der elektrischen Maschine 30 bzw. mit der Brennkraftmaschine 112 austauscht und dazu eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine 112 und die elektrische Maschine 30 entsprechend anzusteuern. Auch externe Sensordaten, wie die eines Sensors 10 zur induktiven Erfassung der Drehzahl n_BKM der Brennkraftmaschine 112 bzw. der daran bevorzugt fest gekoppelten elektrischen Maschine 30 (n_EM ) können ebenfalls in die Kommunikationsverbindung 124 eingebunden sein, wobei auf Basis der von der elektrischen Maschine 30 und/oder der sonstigen Sensordaten des Sensors 10, das Motorsteuergerät 122 Steuersignale zur Steuerung der Brennkraftmaschine 112 an dieselbe übersendet. Die Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32 und dessen Welle 17 ist ebenfalls angegeben, wobei α₊ eine Vorwärtsdrehung in Vorzugsrichtung der Brennkraftmaschine 112 und α_- eine Rückwärtsdrehung in Gegenrichtung beschreibt. Die Drehwinkelposition ϑ der Kurbelwelle 17' bzw. ϑ₁ des Rotors 32 sind ebenfalls angegeben.
In 2b ist die elektrische Maschine 30 nochmals in vergrößerter Form schematisch dargestellt. Die elektrische Maschine 30 weist einen eine Welle 17 aufweisenden Rotor 32 mit einer Erregerwicklung und einem Stator 33 mit Ständerwicklungen U, V, W auf. Es handelt sich daher um eine fremderregte Maschine, wie sie insbesondere bei Kraftfahrzeugen üblich ist. Insbesondere für Krafträder, insbesondere bei Klein- und Leichtkrafträdern, werden jedoch meist Motoren mit Permanentmagneten, d. h. permanenterregte elektrische Maschine eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich beide Arten von elektrischen Maschinen verwendet werden, wobei insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine, beispielsweise einer permanenterregten elektrischen Maschine oder einer fremderregten elektrischen Maschine, abhängt.
Beispielhaft ist die elektrische Maschine 30 als Drehstromgenerator ausgebildet, in welcher drei zueinander um 120° phasenverschobenen Phasenspannungssignale induziert werden. Derartige Drehstromlichtmaschinen werden üblicherweise als Generatoren in modernen Kraftfahrzeugen verwendet und sind für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich alle elektrischen Maschinen unabhängig von der Anzahl ihrer Phasen verwendet werden, wobei insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine abhängt.
Die drei Phasen des Drehstromgenerators 30 sind mit U, V, W bezeichnet. Über das als Plusdioden 34 und Minusdioden 35 ausgebildete Gleichrichtelement, werden die an den Phasen abfallenden Spannungen gleichgerichtet. Zwischen den Polen B+ und B- liegt somit eine Generatorspannung U_G , bei welcher der Minuspol auf Masse liegt, an. Von einem derartigen Drehstromgenerator 30 werden beispielsweise eine Batterie B bzw. andere Verbraucher innerhalb des Bordnetzes 110 versorgt.
In 2c sind drei Diagramme dargestellt, die die zugehörigen Spannungsverläufe gegenüber dem Drehwinkel des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30 zeigen. Im oberen Diagramm sind die Spannungsverläufe an den Phasen U, V, W eingetragen. Allgemein versteht sich, dass die in diesem Diagramm und in den nachfolgenden Diagrammen angegebenen Zahlen und Wertebereiche lediglich exemplarisch sind, und daher die Erfindung im Grundsatz nicht beschränken.
Im mittleren Diagramm ist die Generatorspannung U_G , die durch die Hüllkurven der positiven und negativen Halbwellen der Spannungsverläufe U, V, W gebildet wird, gezeigt.
Im unteren Diagramm ist schließlich die gleichgerichtete Generatorspannung U_G- (vgl. 2a), zusammen mit dem Effektivwert U_Geff dieser Generatorspannung U_G- , die zwischen B+ und B- anliegen, gezeigt.
In 3 ist schematisch der Stator 33 mit den Phasen U, V, W, sowie den Plusdioden 34 und Minusdioden 35 aus 2b gezeigt. Grundsätzlich versteht sich, dass die hier abgebildeten Gleichrichterelemente in Form von Plusdioden 34 und Minusdioden 35 im Falle eines aktiven Gleichrichters auch als Transistoren, insbesondere MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgebildet sein können (nicht dargestellt). Zudem ist die im Folgenden benutzte Nomenklatur der auftretenden Spannungen und Ströme dargestellt.
U_U , U_V , U_W bezeichnen alternativ die Phasenspannungen der zugehörigen Phasen U, V, W, wie sie zwischen einem Außenleiter und dem Sternpunkt des Stators 33 abfallen. Uuv, Uvw, U_WU , bezeichnen die Spannungen zwischen zwei Phasen bzw. deren zugehörigen Außenleitern.
I_U , I_V , I_W bezeichnen die Phasenströme vom jeweiligen Außenleiter einer Phase U, V, W zum Sternpunkt. I bezeichnet den Gesamtstrom aller Phasen nach der Gleichrichtung.
In 4a sind nun drei Phasenspannungen Uu, Uv, Uwmit Potentialbezug auf B- in drei Diagrammen gegenüber der Zeit dargestellt, wie sie in einem Generator mit einem Außenpolläufer mit sechs Permanentmagneten auftreten. Diese Darstellung einer elektrischen Maschine 30, mit einer dreiphasigen Statorwicklung 33 ist lediglich beispielhaft zu sehen, wobei grundsätzlich, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, das erfindungsgemäße Verfahren auch auf einem Generator mit einer entsprechend bedarfsgerechten Anzahl an Phasen oder Permanentmagneten oder Erreger-Spulen ausführbar ist. Ebenfalls können statt einer Stern-Verschaltung der Stator-Spulen auch eine Dreiecks-Verschaltung oder weitere Verschaltungsweisen gewählt werden.
Bei einer elektrischen Maschine 30 mit Stromabgabe, ist der Verlauf der Phasenspannungen U_U , U_V , U_W in erster Näherung rechteckförmig. Dies erklärt sich insbesondere dadurch, dass durch die Generatorspannung entweder die Plus- oder die Minusdioden in Flussrichtung leiten, und daher entweder in etwa 15-16 Volt (Batterieladespannung bei 12V Bleisäure-Akkumulator und Spannung an Plusdioden), oder Minus 0,7-1 Volt (Spannung an Minusdioden), gemessen wird. Bezugspotential der Messung ist jeweils Masse. Es können auch andere Bezugspotentiale wie zum Beispiel der Sternpunkt des Stators gewählt werden. Diese ergeben abweichende Signalverläufe ändern jedoch nicht die auswertbaren Informationen, deren Gewinnung und Auswertung.
Grundsätzlich können die Phasensignale (U_U , U_V , U_W , I_U , I_V , I_W ) auf verschiedene Weise gewonnen werden. Möglich ist beispielsweise eine Ermittlung der Phasenspannungen gegeneinander (Uuv, Uuw, Uwu), eine Ermittlung der Phasenspannungen über die Dioden eines angeschlossenen Gleichrichters gegen dessen Ausgangsklemmen (B+, B-), sofern der Stator der elektrischen Maschine in Sternschaltung mit abgreifbarem Sternpunkt ist, eine Betrachtung der Ausgangsspannung der Stränge gegen den Sternpunkt (Uu, Uv, Uw) oder eine vergleichbare Auswertung der Phasenströme.
In 4b sind die Phasenspannungen Uu, Uv, Uw aus 4a in einem Diagramm zusammen aufgetragen. Hierbei ist deutlich der gleichmäßige Phasenversatz zu erkennen.
Während einer vollen Umdrehung des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30, werden die Spannungssignale durch sechs Magnete (insbesondere Permanentmagnete), die sogenannten Polpaare, sechs Mal wiederholt. Dementsprechend treten pro Phase, d. h. pro Phasenspannung Uu, Uv, Uw pro Umdrehung des Rotors 32 sechs fallende Flanken FL_D und sechs steigende Flanken FLu (für die jeweiligen Phasen FLuu, FLvu, FLwu und FL_UD , FL_VD , FL_WD ) auf.
Diese Flanken legen einen Winkelabschnitt fest, nämlich genau den Winkelabschnitt, der durch die Magnete entlang des radialen Umfangs des Stators abgedeckt ist. Demnach lässt sich bei Erkennen der jeweiligen Flanken FLu, bzw. FL_D , bei Kenntnis eines absoluten Bezugspunkts pro Umlauf, der beispielsweise anhand eines Referenzmagneten mit von den sonstigen Magneten abweichender Charakteristik der Phasenspannung Uu, Uv, Uwgekennzeichnet ist, ermittelt werden.
Mit geeigneten Mitteln können nun sowohl die fallenden Flanken FL_D als auch die steigenden Flanken FLu erkannt werden. Beispielsweise kann für jede Phasenspannung mittels eines sogenannten Schmitt-Triggers ein TTL-Signal generiert und an ein Steuergerät, insbesondere an das Motorsteuergerät 122, übermittelt werden. Die benötigten Schmitt-Trigger können entweder im Steuergerät oder in der Steuerelektronik, beispielsweise einem Steuergerät, einem Regler für die Batteriespannung und/oder im Fall eines aktiven Gleichrichters, im jeweiligen Generatorregler integriert oder diesen auch extern zugeordnet sein. Die einzelnen TTL-Signale können insbesondere für den Fall der Verwendung eines Steuergerät, insbesondere eines Motorsteuergeräts 122 (vgl. 2a), über je eine Leitung, oder durch eine vorgelagerte Kombinationselektronik oder anderes geeignet zusammengefasst, über nur eine Datenleitung 124 (vgl. 2a) übermittelt werden.
In 4b sind den Enden der jeweiligen fallenden Flanken der Phasenspannung U_U , U_V , U_W jeweils Werte W_U , W_V , W_W zugeordnet, die auch als W_Ud , W_Vd , W_Wd bezeichnet werden. Gleichermaßen können auch den steigenden Flanken FLu entsprechende Werte W_Uu , W_Vu , W_Wu zugeordnet werden. Diese Werte können zur Erkennung der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32 bzw. der hieran gekoppelten Kurbelwelle 17' dienen. Auch eine Erkennung der Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 anhand der Plateaubereiche der Phasensignale oder anderen Bereichen dazwischen ist möglich. Gleichermaßen können die Werte auch dazu genutzt werden, anhand von Zeitdifferenzen Δt₁ , Δt₂ , Δt₃ , die Drehzahl der elektrischen Maschine 30 zu ermitteln. Die Drehrichtung α₊ wird nachfolgend ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Vorwärtsrichtung bezeichnet. Dies ist die typische Drehrichtung einer Brennkraftmaschine 112 bzw. der hieran gekoppelten elektrischen Maschine 30 während des Betriebs. Die Drehrichtung α_- ist die entsprechende Gegenrichtung und wird als Rückwärtsrichtung bezeichnet.
Hierbei treten bei einer gleichmäßigen Anordnung der sechs Permanentmagnete in der elektrischen Maschine 30, insgesamt 18 fallende Flanken FL_d und somit 18 zugehörige Werte pro Umdrehung in jeweils gleichen Abständen zueinander auf. Während eine Zeitdifferenz Δt₁ , Δt₂ , oder Δt₃ wird somit ein Winkel 360°/18 = 20° überstrichen. Wie bereits eingangs erwähnt, kann dies auch zur Erkennung der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32 herangezogen werden, wobei die beispielhaft ermittelten 20° das detektierbare Winkelinkrement darstellt. Zudem lässt sich hieraus auch die Winkelgeschwindigkeit ω_i ermitteln. Diese ergibt sich aus ω_i = 20°/Δt_i und die dazugehörige Drehzahl n_i aus n_i = ω_i/360°▪60s/min in Umdrehungen pro Minute.
Es versteht sich grundsätzlich, dass alternativ zu den fallenden Flanken FL_D auch die steigenden Flanken FLu der jeweiligen Phasen U, V, W zur Ermittlung der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32 als auch zur Ermittlung der Momentandrehzahl n_Gen der elektrischen Maschine 30 verwendbar sind. Durch die doppelte Anzahl an Werten pro Umdrehung, ergibt sich dementsprechend eine höhere Auflösung, sowohl der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32, als auch der Drehzahl n_Gen . Zudem können die Flanken der Phasen auf vielfältige weitere Art und Weise ausgewertet werden, beispielsweise durch die zeitlichen Abstände der steigenden Flanken FLu und fallenden Flanken FL_D jeweils der gleichen Phasen oder von den jeweiligen Phasen zueinander oder durch den zeitlichen Abstand von steigenden Flanken FLu bzw. fallenden Flanken FL_D der gleichen Phase, oder aller Phasen zusammen.
Neben den aufsteigenden Flanken FLu und abfallenden Flanken FL_D können für die Ermittlung als solche oder eine verbesserte Auflösung der Ermittlung der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32 bzw. einer Drehzahlerkennung n_Gen , auch die Nulldurchgänge W_U0 , W_V0 , W_W0 der Phasensignale Uu, Uv, Uw herangezogen werden.
Die Drehrichtung α₊ ,α_- des Rotors 32 und dessen Welle 17 und damit die Drehwinkelposition ϑ der Kurbelwelle 17' bzw. ϑ₁ des Rotors 32, lassen sich aus den elektrischen Signalen der elektrischen Maschine 30, insbesondere den Phasenspannungen Uu, Uv, Uw, bzw. den dazugehörigen Phasenströmen I_U , I_V , I_W in Alleinstellung, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel (vgl. 6) und/oder als Kombination zumindest einer der Phasenspannungen U_U , U_V , U_W , bzw. den dazugehörigen Phasenströme I_U , I_V , I_W und dem Spannungssignal U_ind eines Drezahlsensors 10, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (vgl. 5), ermitteln.
Es versteht sich, dass auch andere Polpaarzahlen auftreten können, die Anzahl der Magnete, steigender und fallender Flanken ändert sich entsprechend gegenüber obiger Ausführung.
In 5 ist die Topologie eines ersten Ausführungsbeispiels zur Ermittlung der Drehrichtung α₊ , α_- des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30 angegeben. Diese Topologie weist einen Drehzahlgeber G, aufweisend einen induktiven Sensor 10 und ein Geberrad 20, das zur Bestimmung der Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 112 eingerichtet ist, auf (vergleiche 1). Die Signale U_ind des Drehzahlgebers G werden an ein Motorsteuergerät 122 zur weiteren Verarbeitung übermittelt. Ferner weist die elektrische Maschine 30, die vorliegend als dreiphasige elektrische Maschine mit den Phasen U, V und W ausgebildet ist, den nachgelagerten Gleichrichter 34, 35 (vergleiche 2b) und einen entsprechenden Laderegler LR für eine Batterie B auf, die die entsprechenden Komponenten, insbesondere das Steuergerät 122 mit elektrischer Energie versorgt. Zwischen dem Laderegler LR und der Motorsteuerung 122 ist eine Datenverbindung 124 vorgesehen, die entweder bereits vorverarbeitete Drehzahldaten n aus den Phasenspannungen bzw. die jeweiligen Phasensignale direkt an das Motorsteuergerät 122 leitet. Grundsätzlich sei angemerkt, dass für das in 5 beschriebene Ausführungsbeispiel zur Drehrichtungserkennung α₊ , α_- auf Basis des Drehzahlgebers G und der elektrischen Maschine eine elektrische Maschine mit zumindest einer Phase erforderlich ist, wodurch die Anzahl der Phasen, wie vorliegend angegeben U, V, W noch reduziert werden könnte.
In 6 ist eine weiteren Topologie gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels beschrieben, bei der zur Erkennung der Drehrichtung α₊ , α_- der elektrischen Maschine 30 lediglich auf die Phasensignale U, V, W zurückgegriffen wird. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der jeweiligen Komponente in der Beschreibung zum Ausführungsbeispiel aus 5 verwiesen.
In 7a sind die Verläufe der Phasenspannungen U_u , U_v , U_w und die durch den Drehzahlsensor 10 erhaltene Induktionssignal U_ind für einen rückwärtsdrehenden α_- (7a) und für einen vorwärtsdrehenden α₊ (vergleiche 7b) Rotor 32 einer elektrischen Maschine dargestellt. Als charakteristische Werte für die jeweiligen Phasensignale U_u , U_v , U_w werden vorliegend die Nulldurchgänge der Phasenspannung W_u0 , W_v0 , W_w0 herangezogen. Grundsätzlich können jedoch auch entsprechend die aufsteigenden oder abfallenden Flanken der Phasenspannungen (vergleiche , als charakteristischen Wert für das Phasensignal U_u , U_v , U_w herangezogen werden.
Hierbei ist zu erkennen, dass die Nulldurchgänge bei einem rückwärtsdrehenden Rotor 32 in Rückwärtsrichtung α_- die charakteristische periodische Abfolge der Nulldurchgänge W_u0 bis W_w0 der jeweiligen Phasen U, V, W, U, V, W, U, V, W mit fortschreitender Zeit aufweist. Bei vorwärtsdrehendem Rotor 32 in die so genannte Vorwärtsrichtung α₊ ist die zeitliche Abfolge der Nulldurchgänge W_u0 bis W_w0 U, W, V, U, W, V usw. Anhand dieses Charakteristikums kann gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel sicher die Drehrichtung des Rotors 32 und damit der Kurbelwelle 17' der Brennkraftmaschine 112 gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel ermittelt werden.
Gemäß der weiteren Ausführungsform kann aus 7a abgeleitet werden, dass eine Rückwärtsrichtung α_- vorliegt, wenn beispielsweise auf den Nulldurchgang W_u0 ein Nulldurchgang W_v0 mit fallendem Gradienten folgt. Umgekehrt zeigt 7b, dass eine Vorwärtsrichtung α₊ vorliegt, wenn auf den Nulldurchgang W_u0 ein Nulldurchgang W_v0 mit steigendem Gradienten folgt.
Zur besseren Veranschaulichung der Phasensignale relativ zueinander wurden die Phasenspannungen U_u , U_v , U_w und die jeweiligen Nulldurchgänge in idealisierter Form für eine Vorwärtsdrehung α₊ in 8a und in 8b für eine Rückwärtsdrehung α_- des Rotors 32 noch einmal vergrößert und idealisiert als Verlauf von sinusförmigen Kurven dargestellt. In gleicher Weise lassen sich auch die weiteren charakteristischen Werte W_Uu , W_Ud , W_Vu , W_Vd , W_Wu , W_Wd zur Drehrichtungserkennung α₊ , α_- heranziehen.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Bestimmung der Drehrichtung α₊, α_- auf Basis des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den 7a und b ist ein Winkelversatz β bzw. -β angegeben, der die Verschiebung zwischen dem Koordinatensystem des induktiven Signal U_ind und der Phasenlage der Phasenspannungen U_u , U_v , U_w der elektrischen Maschine 30 angibt. Hierbei ist zu erkennen, dass die Signalspannung U_ind des Drehzahlsensors 10 nach dem Nulldurchgang einer exemplarisch gewählten Phase, vorliegend U bei vorwärtsdrehender Welle U₊ stets ansteigt und bei rückwärtsdrehender Welle U- stets abfällt. Setzt man nun voraus, dass grundsätzlich ein Phasenversatz zwischen der induzierten Spannung U_ind und der Phasenlage der jeweiligen Phasen im Generator vorhanden ist, d. h. β ≠ 0, so kann auf Basis der zuvor genannten Korrelation der Nulldurchgänge der jeweiligen Phase und der zeitlich nachfolgenden Gradienten im induzierten Spannungssignal U_ind auf ein Vorwärtsdrehen α₊ bzw. ein Rückwärtsdrehen α_- geschlossen werden. Grundsätzlich versteht sich, das zur Erkennung eines Vorwärts- oder Rückwärtsdrehen α₊ bzw. α_- der Welle etwaige Störgrößen, wie z. B. die exakte Kenntnis des Polradwinkels bei einem belasten Generator in erster Näherung vernachlässigt werden können, oder sofern bekannt auch berücksichtigbar sind.
In einigen Fällen wird die Signalspannung U_ind des Drehzahlsensors 10 nur auf Nulldurchgänge mit einer Gradientenart, nur fallend oder nur steigend, ausgewertet. Werden beispielsweise nur Gradienten steigender Art ausgewertet, so ergibt sich aus 7a, dass in Rückwärtsrichtung α_- eine deutlich größere Zeitspanne zwischen einem Nulldurchgang einer Generatorphase und dem folgenden Nulldurchgang der Signalspannung U_ind liegt, als zwischen einem Nulldurchgang der Signalspannung U_ind und dem nachfolgenden Nulldurchgang einer Generatorphase. Aus 7b ergibt sich direkt, dass für die umgekehrte Drehrichtung (Vorwärtsdrehrichtung α₊ ) ein umgekehrtes Verhältnis der Zeitabstände vorliegt. Somit kann auch in Fällen, in denen nur eine Gradientenart der Signalspannung U_ind des Drehzahlsensors 10 ausgewertet wird, in Kombination mit den Signalen zumindest einer Generatorphase auf die Drehrichtung geschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0664887 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Drehrichtung (α₊,α_-) einer Welle (17), insbesondere einer Kurbelwelle (17') einer Brennkraftmaschine (112), welche mit einer elektrischen Maschine (30), umfassend einen Rotor (32) und einen Stator (33) mit zumindest einer Phasenwicklung (U, V, W), direkt oder übersetzt gekoppelt ist, wobei zumindest ein Phasensignal (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) der elektrischen Maschine (30) zumindest einen Wert (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, W_U0, W_V0, W_W0) aufweist, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors (32) auftritt, wobei ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, Wuo, Wvo, Wwo) eines Phasensignals (Uu, Uv, Uw, lu, Iv, I_W) und zumindest ein weiteres Kriterium (K) zur Bestimmung der Drehrichtung (α₊,α_-) der Welle (17) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Wert (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, Wuo, Wvo, Wwo) mit aufsteigende Flanken (Fl_Uu, Fl_Vu, Fl_Wu) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W), abfallenden Flanken (Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und/oder Nulldurchgängen (Fl_Uo, Fl_V0, Fl_W0) des Phasensignals (Uu, Uv, Uw, lu, Iv, I_W) assoziiert sind, wobei die aufsteigenden Flanken (Fl_Uu, Fl_Vu, Fl_Wu) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und/oder die abfallenden Flanken (Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) und/oder die Nulldurchgänge (Fluo, Flvo, Flwo) des Phasensignals (Uu, Uv, Uw, lu, Iv, I_W) zur Bestimmung der Drehrichtung (α₊,α_-) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als weiteres Kriterium (K) der Signalverlauf (U_ind) eines Drehzahlgebers (G), insbesondere eines induktiven Drehzahlsensors (10), zur Bestimmung der Drehrichtung (α₊,α_-) der Welle (17) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei einem Vorliegen einer ersten Gradientenart der Steigung im Signalverlauf (U_ind) im Zeitbereich nach dem Auftreten des Werts (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, W_U0, W_V0, W_W0) auf ein Vorwärtsdrehen (α₊) der Welle (17) oder bei einem Vorliegen einer weiteren Gradientenart der Steigung im Signalverlauf (U_ind) im Zeitbereich nach dem Auftreten des Werts (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, W_U0, W_V0, W_W0) auf ein Rückwärtsdrehen (α_-) der Welle (17) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als weiteres Kriterium (K) zumindest zwei weitere Werte (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, W_U0, Wvo, Wwo) herangezogen werden, wobei der erste Wert (W_Uu, W_Ud, Wuo) und die zwei weiteren Werte (W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, W_V0, W_W0) aus jeweils verschiedenen Phasensignalen (Uu, Uv, Uw, lu, Iv, I_W) abgeleitet werden, wobei anhand der zeitlichen Reihenfolge des ersten Werts (W_Uu, W_Ud, Wuo) und der zwei weiteren Werte (W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd, W_V0, W_W0) auf die Drehrichtung (α₊,α_-) der Welle (17) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei einem Vorliegen einer unmittelbaren zeitlichen Abfolge des ersten Werts (W_Uu, W_Ud, W_U0), des zweiten Werts (W_Vu, W_Vd, W_V0) und des weiteren Werts (W_Wu, W_Wd, W_W0) auf ein Rückwärtsdrehen (α_-) der Welle (17) oder bei einem Vorliegen einer unmittelbaren zeitlichen Abfolge des ersten Werts (W_Uu, W_Ud, W_U0), des weiteren Werts (W_Wu, W_Wd, W_W0) und des zweiten Werts (W_Vu, W_Vd, W_V0) auf ein Vorwärtsdrehen (α₊) der Welle (17) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als weiteres Kriterium zumindest ein weiterer Wert (W_Uu, W_Ud, Wuo) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) herangezogen wird, wobei der erste Wert (W_Uu, W_Ud, W_U0) und der zweite Wert (W_Uu, W_Ud, Wuo) aus jeweils verschiedenen Phasensignalen (Uu, Uv, U_W, I_U, I_V, I_W) abgeleitet werden, wobei anhand des Flankentyps, der mit dem zweiten Wert (W_Uu, W_Ud, W_U0) assoziiert ist, der zeitlich auf den ersten Wert (W_Uu, W_Ud, Wuo) folgt, auf die Drehrichtung (α₊,α_-) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehrichtung (α₊,α_-) der Welle (17) zur Steuerung der Brennkraftmaschine (112), insbesondere zur Steuerung der Zündung und/oder der Einspritzung zumindest eines Zylinders der Brennkraftmaschine (112), verwendet wird.
Recheneinheit, vorzugsweise ein Motorsteuergerät (122) für eine Brennkraftmaschine (12), die durch eine entsprechende integrierte Schaltung und/oder durch ein auf einem Speicher gespeichertes Computerprogramm dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.