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Die
vorliegende Erfindung betrifft Weiterentwicklungen im Bereich der
Erfassung der elektrischen Position des Rotors einer elektrischen
Maschine, der in Drehung schlupffrei mit einem Verbrennungsmotor
gekoppelt ist, der mit einem Zahnrad-Sensor ausgestattet ist, der
bei Drehzahlen, die einen ersten vorbestimmten Schwellwert übersteigen,
ein für
die Winkelposition des Motors repräsentatives Signal liefert.
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Mit „elektrischer
Maschine" ist eine
Drehstrommaschine gemeint, die als Stromgenerator oder als Elektromotor
betrieben werden kann, je nachdem ob sie von einem Motor angetrieben
oder mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei sie von ihren Überwachungsmitteln
in beiden Betriebsarten entsprechend erregt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Damit
eine elektrische Maschine wie ein Starter-Generator, insbesondere
mit variabler Reluktanz, richtig gesteuert werden kann, muss die
elektrische Position des Rotors genau bekannt sein. Die Kenntnis
dieser Position wird zur Zeit von einer Positionsmessvorrichtung
vermittelt, die zur Abgabe der erforderlichen Information über den
gesamten, von dem Motor abgedeckten Drehzahlbereich (von der Drehzahl
null bis zur maximalen Drehzahl) und in allen Regelbereichen der
relevanten Parameter (Temperatur, Spannung, Bordnetz, ...) einen
spezifischen Sensor einsetzt, beispielsweise einen Zahnradsensor,
mit einer Anzahl von Zähnen,
die der Anzahl der Pole des Rotors der elektrischen Maschine entspricht.
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Diese
Positionsmessvorrichtungen sind zwar leistungsfähig und als solche durchaus
zufriedenstellend, aber gleichzeitig aufwendig und kostspielig.
Außerdem
sind sie zusätzlich
zu dem zur Motorüberwachung
vorhandenen Zahnradsensor in physikalischer Verbindung mit dem Motor-/Getriebeblock
(vorwiegend an der Stirnseite der Kupplung) montiert. Das Volumen
des spezifischen Sensors konnte zwar stark verringert werden (typischerweise
kann er ca. 6 mm dick sein), doch behindert er deshalb nicht weniger den
Einbau des Motor-/Getriebeblocks in einem begrenzten Raum wie auch
die Einstell- und/oder Kalibriervorgänge. Darüber hinaus sind die so montierten Vorrichtungen
den Umgebungsbedingungen (Motorwärme,
Staub, Öl,
...) ausgesetzt, was sich ungünstig auf
ihre Betriebsbedingungen und ihre Standzeit auswirken kann.
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Folglich
besteht dringender Bedarf an Anordnungen zur Positionserfassung
des Rotors einer elektrischen Maschine, die weniger kostspielig
sind als die heutigen Vorrichtungen und die an anderen Stellen als
den heutigen Einbauorten, nämlich
an Stellen, an denen mehr Platz zur Verfügung steht und wo sie vor allem
ungünstigen
Bedingungen weniger ausgesetzt sind, untergebracht werden können.
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Dabei
weist der zur Motorüberwachung
eingesetzte Zahnradsensor, mit dem ein absoluter Wert der Winkelposition
der Kurbelwelle bestimmt werden kann (Sensor mit 60-2 Zähnen nach
internationalem Standard), eine Anzahl von Zähnen auf, die nicht mit der
Anzahl von Polen des Rotors der elektrischen Maschine übereinstimmt.
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Demnach
kann dieser Sensor erst ab einer Mindestdrehzahl, normalerweise
ca. 500 Umdrehungen/Minute, einen zuverlässigen Wert der Winkelposition
der Kurbelwelle abgeben.
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Ein
solcher Sensor kann folglich bei ordnungsgemäßem Betrieb nicht zur Ermittlung
der gewünschten
Information über
die Winkelposition der Kurbelwelle bei Drehzahlen zwischen null
und Mindestdrehzahl eingesetzt werden.
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Im
konkreten Fall eines Starter-Generators muss die Winkelposition
der Kurbelwelle jedoch bekannt sein, um den Starter-Generator beim
Starten des Motors, d. h. bei den niedrigen Drehzahlen ab der Drehzahl
null, steuern zu können.
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Gegenstand der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es folglich ein Verfahren anzugeben, mit dem die
eingangs beschriebenen Nachteile effizient behoben werden können und mit
dem die Winkelposition des Rotors der elektrischen Maschine über dem
gesamten Betriebsbereich des Motors ab der Drehzahl null unter relativ einfachen
und kostengünstigen
Bedingungen bei gleichzeitig leichterem Einbau als zuvor ermittelt
werden kann.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Gelöst wird
die Aufgabe nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren
zur Erfassung der Winkelposition eines Rotors einer elektrischen
Maschine, der in Drehung schlupffrei mit einem Verbrennungsmotor
gekoppelt ist, der mit einem Sensor ausgestattet ist, der ein erstes
Signal liefert, das für
eine Winkelposition des Motors bei Drehgeschwindigkeiten, die höher sind
als eine Mindestmessdrehgeschwindigkeit, repräsentativ ist, wobei:
- – ausgehend
von mindestens einer elektrischen Eigenschaft der elektrischen Maschine
ein zweites Signal erzeugt wird, das für eine geschätzte Winkelposition
des Rotors der elektrischen Maschine bei Drehgeschwindigkeiten unter
einer geschätzten
Höchstgeschwindigkeit
repräsentativ ist,
- – Überwachungsmitteln
der elektrischen in Abhängigkeit
von einer geschätzten
Drehgeschwindigkeit zugeführt
werden:
- • das
zweite Signal, wenn die geschätzte
Drehgeschwindigkeit unter einem ersten Schwellwert liegt, der höher als
oder gleich hoch ist wie die Mindestmessdrehgeschwindigkeit,
- • das
erste Signal, wenn die geschätzte
Drehgeschwindigkeit über
einem zweiten Schwellwert liegt, der höher als oder gleich hoch ist
wie der erste Schwellwert, aber niedriger als oder gleich hoch ist
wie die geschätzte
Höchstgeschwindigkeit,
- – und
ein Umschalten vom zweiten zum ersten Signal und umgekehrt bei einer
geschätzten
Drehgeschwindigkeit durchgeführt
wird, die zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert liegt.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt bei einer
Erhöhung
der Drehgeschwindigkeit durch Abgabe des zweiten Signals ein Umschalten
vom zweiten Signal zum ersten Signal, wenn die geschätzte Drehgeschwindigkeit
den zweiten Schwellwert erreicht, und bei einer Verringerung der
Drehgeschwindigkeit und Abgabe des ersten Signals ein Umschalten
vom ersten Signal zum zweiten Signal, wenn die geschätzte Drehgeschwindigkeit den
ersten Schwellwert erreicht. Vorteilhafterweise ist der zweite Schwellwert
niedriger als oder gleich hoch wie eine Leerlaufgeschwindigkeit
des Verbrennungsmotors. Dadurch wird im Leerlauf des Verbrennungsmotors
vermieden, dass über
dem gesamten Normalbetriebsbereich des Motors, nämlich von der Leerlaufgeschwindigkeit
bis zur Höchstdrehgeschwindigkeit
des Motors unnötigerweise
vom ersten Signal zum zweiten Signal umgeschaltet wird.
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Nach
weiteren Aspekten der Erfindung wird zum Bewirken der Umschaltung
von einem Signal zum anderen die geschätzte Drehgeschwindigkeit entweder
von mindestens einer elektrischen Eigenschaft der elektrischen Maschine
oder von Verzögerungsmitteln
bestimmt, die beim Ingangsetzen des Motors eingeschaltet werden
können
und die die Umschaltung nach Ablauf einer bestimmten Zeit, während der
die Drehzahl zwischen dem ersten Schwellwert und dem zweiten Schwellwert
liegen sollte, steuern.
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Praktischerweise
ist der erste Schwellwert gleich 500 Umdrehungen/Minute und der
zweite Schwellwert gleich 700 Umdrehungen/Minute.
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Mit
den erfindungsgemäßen Anordnungen kann
die Winkelposition des Rotors mit einem zum Betrieb des Verbrennungsmotors
bereits vorhandenen Zahnradsensor über seinem gesamten Drehzahlbereich
(ab der Drehzahl null) und einem auf die niedrigen Drehgeschwindigkeiten
beschränkten
Positionsschätzer
erfasst werden, der aufgrund seiner geringeren Leistungen als derjenigen
der Winkelpositionsschätzer
aus dem Stand der Technik, die den gesamten Drehzahlbereich des
Motors abdecken, technisch einfacher und damit wesentlich kostengünstiger
ist. Ein solcher Positionsschätzer
kann als Rechner ausgebildet sein, dem eingangs von der elektrischen
Maschine die Spannungsinformationen zugeführt werden und der ausgangs
ein für
die Winkelposition des Rotors repräsentatives Signal abgibt, wobei
ein solcher Rechner in die Überwachungssoftware
des Elektromotors integriert sein kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die angehängte Zeichnung
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1A bis 1D Grafiken,
die das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichen;
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2 ein
Fließschaltbild,
das eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
veranschaulicht; und
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3 ein
Fließschaltbild,
das eine Variante der Vorrichtung von 2 veranschaulicht.
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Zur
Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zuerst auf die 1A bis 1D Bezug
genommen.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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In 1A ist
mit 1 der Drehmoment/Drehzahl-Verlauf einer elektrischen
Maschine wie beispielsweise eines Starter-Generators, insbesondere mit
variabler Reluktanz, zwischen der Drehgeschwindigkeit null und der
Höchstdrehgeschwindigkeit
bezeichnet.
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In 1B ist
mit 2 der Nennbetriebsbereich von Mitteln zur Schätzung der
Winkelposition des Rotors der elektrischen Maschine, die einfach
aufgebaut und im Bereich der niedrigen Drehzahlen zwischen der Drehzahl
null und einer geschätzten Höchstdrehzahl
VA (beispielsweise bei ca. 1000 Umdrehungen/Minute),
oberhalb derer die Positionsschätzung
als nicht mehr zuverlässig
betrachtet wird, bezeichnet.
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In 1C ist
mit 3 der Nennbetriebsbereich eines Zahnradsensors oder
eines im Verbrennungsmotor zu dessen Überwachung vorhandenen OT-Sensors
bezeichnet. Ein solcher Sensor gibt einen absoluten Wert der Winkelposition
der Kurbelwelle über
dem gesamten Normalbetriebsbereich des Motors zwischen seiner Leerlaufgeschwindigkeit und
seiner Höchstdrehzahl
ab. In der Praxis gibt der Sensor eine bei Drehzahlen, die höher sind
als eine Mindestmessdrehgeschwindigkeit VM (beispielsweise
450 Umdrehungen/Minute), die niedriger ist als die Leerlaufgeschwindigkeit
des Motors (beispielsweise ca. 750 Umdrehungen/Minute) und die zudem
wesentlich niedriger ist als die geschätzte Höchstdrehzahl VA der
vorerwähnten
Schätzmittel,
zuverlässigen
Wert ab.
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Wie
in 1D veranschaulicht, besteht das Verfahren der
Erfindung darin, dass ein erstes Signal, das für eine Winkelposition repräsentativ
ist, die von dem Sensor gemessen wird, wenn die geschätzte Drehgeschwindigkeit
höher ist
als die geschätzte Höchstdrehzahl,
und ein zweites Signal, das für
eine Winkelposition repräsentativ
ist, die geschätzt
wird, wenn die geschätzte
Drehgeschwindigkeit niedriger ist als die Mindestmessgeschwindigkeit
VM, genutzt werden, und dass eine Umschaltung
vom ersten zum zweiten Signal oder umgekehrt innerhalb einer Zeitspanne,
die zwischen einem ersten Schwellwert S1, der höher ist als die Mindestmessgeschwindigkeit
VM und einem zweiten Schwellwert S2 liegt,
der höher als
oder gleich hoch ist wie die geschätzte Höchstdrehzahl VA.
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Bei
der veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform wird das zweite
Signal ab einer Drehgeschwindigkeit null bis zum Erreichen des zweiten Schwellwertes
S2 der Drehgeschwindigkeit benutzt, während bei abnehmender Drehgeschwindigkeit
das erste Signal benutzt wird bis die Drehgeschwindigkeit den ersten
Schwellwert S1 erreicht. Ferner ist der zweite Schwellwert S2 niedriger
als oder gleich hoch wie die Leerlaufgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors.
In der Praxis bedeutet das, dass das zweite Signal nur zum Starten
des Motors benutzt wird, während
das erste Signal während
des Normalbetriebs des Motors unabhängig von Zunahme oder Abnahme
der Motordrehzahl immer benutzt wird. Ein Umschalten von dem ersten
Signal zum zweiten Signal erfolgt damit nur bei Stillstand des Motors,
um die Überwachungsmittel
in einen für
einen Neustart zweckmäßigen Zustand
zu versetzen.
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Zur
Durchführung
dieses Verfahrens kann die in 2 schematisch
dargestellte Anordnung eingesetzt werden. Bei diesem Beispiel wird
als elektrische Maschine im Wesentlichen auf einen Starter-Generator,
insbesondere mit variabler Reluktanz, Bezug genommen, dessen Rotor
sechzehn Pole aufweist. Hierbei handelt es sich um eine Anwendung, bei
der sich die Anordnungen der Erfindungen als ganz besonders vorteilhaft
erweisen.
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Ein
von Überwachungsmitteln 5 gesteuerter Starter-Generator 4 ist
(beispielsweise über
eine Kupplungswelle 6) drehfest mit einem Verbrennungsmotor 7 verbunden,
der einen Zahnradsensor 8 zu seiner Überwachung aufweist. Nachdem
es in einer Schaltung 9 aufbereitet wurde, wird das Ausgangssignal
des Sensors 8, erstes Signal genannt, an eine Eingangsklemme 10e1 eines Schalters 10 gelegt.
Die Zuverlässigkeit
des Zahnradsensors 8 wird bei Drehgeschwindigkeiten, die
höher sind
als die Mindestmessgeschwindigkeit VM, geprüft.
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Ferner
erhalten Winkelpositionsschätzmittel 11 elektrische
Signale, die für
elektrische Eigenschaften (Spannung, Strom) des Starter-Generators 4 repräsentativ
sind. Aus den Eingangssignalen (Spannung, Strom) erzeugen die Winkelpositionsschätzmittel 11 ein
Ausgangssignal, zweites Signal genannt, das für die Winkelposition des Rotors
des Starter-Generators repräsentativ
ist. Das zweite Signal wird an einen weiteren Eingang 10e2 des Schalters 10 gelegt.
Die Positionsschätzmittel 11 sind
vereinfacht ausgeführt,
und ihre Zuverlässigkeit
wird nur bei Drehzahlen überprüft, die
niedriger sind als die geschätzte
Höchstdrehzahl
VA. Die Positionsschätzmittel können als Rechner mit einfachem
Aufbau ausgebildet sein, der ggf. in die Überwachungssoftware des Motors
integriert sein kann.
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Der
Schalter 10 weist einen Ausgangsanschluss 10s auf, der mit einem Eingang der Überwachungsmittel 5 des
Starter-Generators 4 verbunden ist.
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Der
Ausgangsanschluss 10s ist ferner
mit Mitteln zur Erzeugung eines für einen Schätzwert der Drehzahl repräsentativen
Signals verbunden, deren Ausgänge
mit einem Betätigungsglied 13 des
beweglichen Kontaktes des Schalters 10 verbunden sind. Bei
diesem Beispiel können die
Drehzahlschätzmittel 12 als
Rechner ausgebildet sein, der die geschätzte Drehzahl aus Drehungsinformationen
(beispielsweise Dauer einer Umdrehung), die von einer elektrischen
Eigenschaft des Starter-Generators 4 ausgehend bestimmt
werden, liefert.
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Dank
dieser Anordnung sind die Drehzahlschätzmittel 12 in der
Lage, den zur Betätigung
des Schalters 10 geeigneten Zeitpunkt zu ermitteln, sodass:
- – der
bewegliche Kontakt mit dem Eingangsanschluss 10e2 zusammenwirkt
und das Signal der Winkelposition des Rotors, das an den Überwachungsmitteln 5 des
Starter-Generators
angelegt wird, vom Positionsschätzer
geliefert wird, wenn ab einer Drehzahl null die Drehgeschwindigkeit unter
dem vorerwähnten
zweiten Schwellwert S2 liegt;
- – der
bewegliche Kontakt mit dem Eingangsanschluss 10e1 des
Schalters 10 zusammenwirkt und das vom Zahnradsensor 8 abgegebene
Signal an die Überwachungsmittel 5 des
Starter-Generators angelegt wird, wenn die Drehgeschwindigkeit über den
vorerwähnten
zweiten Schwellwert S2 hinaus ansteigt.
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Aufgrund
der jeweiligen, von den Schwellwerten S1 und S2 (beispielsweise
S1 = 500 Umdrehungen/Minute; S2 = 700 Umdrehungen/Minute) relativ
weit entfernten Werte brauchen die Drehzahlschätzmittel 12 nicht
sehr genau zu sein und können folglich
einfach und kostengünstig
hergestellt sein.
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Zur
Steuerung des Schalters 10 kann alternativ vorgesehen sein,
dass sie nicht von der Drehzahl abhängig ist, die direkt von einer
elektrischen Eigenschaft des Starter-Generators ausgehend sondern
von einem anderem Parameter ausgehend wie beispielsweise der Zeit
geschätzt
wurde, da die Betätigung
des Schalters 10 zwischen den Drehzahlen S1 und S2, nämlich bei
einer im Allgemeinen niedrigeren Drehzahl als der Leerlaufgeschwindigkeit
erfolgen muss; das bedeutet, dass die Umschaltung während der
Startphase des Motors erfolgen muss, wenn dessen Drehzahl von null
auf die Leerlaufgerchwindigkeit ansteigt. Geht man davon aus, dass
diese Startphase stets ungefähr
die gleiche Zeit in Anspruch nimmt, kann auch davon ausgegangen
werden, dass der Motor nach einem vorbestimmbaren Zeitraum ab dem
Einschalten des Motors eine Drehzahl zwischen S1 und S2 erreicht.
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Der
in 3 dargestellten Vorrichtung wurde diese Erwägung zugrunde
gelegt, wobei sie anstatt der Drehzahlschätzmittel 12 der Vorrichtung
von 2 Verzögerungsmittel 14 aufweist,
die zur gleichen Zeit wie der Motor 7 von der Kontaktschaltung 15 eingeschaltet
werden. Derartige Verzögerungsmittel 14 können kostengünstiger
als die Drehzahlschätzmittel 12 hergestellt
werden. Die Verzögerung übernimmt
dann die Aufgabe des Schwellwertes S2, und der Schwellwert S1 entfällt. In
diesem Fall werden die Verzögerungsmittel
bei einem Motorstillstand zurückgesetzt,
damit beim nächsten
Motorstart eine erneute Verzögerung
stattfinden kann.
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Dabei
können
die Rotorpositionsschätzmittel 11 nicht
nur die elektrischen Daten (Spannung, Strom) der elektrischen Maschine
sondern auch andere Parameter wie insbesondere Temperatur berücksichtigen,
sodass am Ausgang temperaturkompensierte oder aufgrund anderer Parameter
kompensierte Informationen vorliegen.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
und kann ohne den Rahmen der Erfindung wie in den Ansprüchen definiert
zu verlassen abgewandelt werden.
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Insbesondere
können
die Schwellwerte S1 und S2 jeweils mit den Drehzahlen VM und
VA vertauscht werden. Die Schwellwerte S1
und S2 können dagegen
miteinander vertauscht werden und an einer beliebigen Stelle des
Intervalls zwischen VM und VA liegen.