DE102016203176B3

DE102016203176B3 - Bestimmen des Berührpunkts eines Fahrpedalaktuators mit einem Fahrpedal

Info

Publication number: DE102016203176B3
Application number: DE102016203176.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Sieber; Ulrich Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2036-03-01
Also published as: FR3048314A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen des Berührpunkts (34) einer Feder (16) eines Fahrpedalaktuators (12) mit einem Fahrpedalhebel (13) umfasst: Bestromen eines Motors (14), der einen Rotor und einen Stator aufweist, des Fahrpedalaktuators (12) mit einem vordefinierten Raumzeiger, so dass der Rotor einen vordefinierten Rotorweg (22) zurücklegt; Messen einer Rotorposition (φ_rot) entlang des Rotorwegs (22); Ermitteln eines Lastwinkels (φ_load) entlang des Rotorwegs (22), wobei der Lastwinkel (φ_load) basierend auf einer Differenz eines Phasenlagewinkels (φ_U) des vordefinierten Raumzeigers und eines Rotorlagewinkels (φ_rot) bei der Rotorposition (φ_rot) berechnet wird; Ermitteln einer Leerweggeraden (36) basierend auf dem Lastwinkel (φ_load) in einem ersten Abschnitt (28) des Rotorwegs (22);
Ermitteln einer Federlastgeraden (38) basierend auf dem Lastwinkel (φ_load) in einem zweiten Abschnitt (30) des Rotorwegs (22); und Ermitteln des Berührpunkts (34) als Schnittpunkt der Leerweggeraden (36) und der Federmomentgeraden (38).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bestimmen des Berührpunkts einer Feder eines Fahrpedalaktuators mit einem Fahrpedal sowie ein Fahrpedal mit einer Steuerung, die dazu ausgeführt ist, dieses Verfahren durchzuführen.
Stand der Technik
Fahrpedale werden in Fahrzeugen dazu eingesetzt, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu steuern. Mit einem Druck auf das Fahrpedal kann ein Fahrer beispielsweise die Zufuhr von Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor oder von elektrischer Energie zu einem elektrischen Antriebsmotor steuern.
Fahrpedale, die dem Fahrer eine haptische Rückmeldung geben, sind bereits in Serienanwendung. Die haptischen Rückmeldungen können hierbei verschiedene Formen annehmen, wie z. B. Anklopfen oder Vibration. Um diese zu erzeugen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Häufig wird durch einen Aktuator eine Kraft generiert, die über eine mechanische Kopplung auf einen Pedalhebel des Fahrpedals übertragen wird.
Bestimmte Varianten beschränken sich auf die Integration eines Vibrationselements in den Pedalhebel, beispielsweise unter eine Pedaltrittplatte, wie es etwa in DE 10026048 C2 oder WO 2013024133 A1 beschrieben ist.
Andere Varianten umfassen einen Motor, der über eine Kopplungsfeder (beispielsweise ausgeführt als Drehfeder) zur Kraftübertragung mit dem Pedalhebel in Berührung kommt, und der je nach Kraftprofil definiert verdreht werden kann. Hierbei ist es auch möglich, dass die Feder in einem ersten Zustand von dem Motor von dem Pedalhebel gelöst werden kann bzw. kein wesentlicher Drehmomentübertrag von der Feder auf den Pedalhebel erfolgt und dass die Feder in einem zweiten Zustand mit dem Motor in Kontakt gebracht werden kann. Je genauer der Kontaktpunkt der Feder mit dem Pedalhebel bekannt ist, umso besser kann in der Regel ein haptisches Signal mit dem Pedalhebel erzeugt werden.
Die DE 10 2014 224 234 B3 zeigt ein haptisches Fahrpedal mit einer Feder und zwei Kennlinien.
DE 10 2007 046 289 A1 zeigt eine Motorsteuerung mit einem Vorhaltemoment und einem Festhaltemoment nach Detektion der Geschwindigkeit Null zur Einstellung eines Festhaltemoments.
Die DE 10 2014 210 930 A1 zeigt eine offene Steuerung zur Einstellung eines Motormomentes mittels eines Lastwinkels.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise dazu beitragen, differenzierte haptische Signale mit Fahrpedalen zu erzeugen. Weiter kann der Berührpunkt einer Feder eines Aktuators zum Erzeugen derartiger Signale genau und auf einfache Art und Weise bestimmt werden.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Berührpunkts einer Feder eines Fahrpedalaktuators mit einem Fahrpedal. Der Fahrpedalaktuator kann einen Motor umfassen, der die Feder mit dem Fahrpedal in Berührung bringen kann und über die Feder eine Kraft auf einen Fahrpedalhebel ausüben kann. Der Motor kann z. B. ein herkömmlicher Elektromotor (mit Bürsten) sein. Der Motor kann jedoch auch ein bürstenloser Gleichstrommotor sein (BLDC-Motor) bzw. eine permanenterregte Synchronmaschine sein. Bei diesem wird durch elektronische bzw. elektrische Kommutierung eines ortsfesten Stators ein Rotor des BLDC-Motors bzw. der Synchronmaschine bewegt. Der Stator kann dabei durch mehrere Phasen bestromt werden, z. B. durch drei um zueinander um 120° phasenversetzte Spannungen bzw. Ströme. Aus der Bestromung ergibt sich in bekannter Weise ein Stromzeiger bzw. ein Spannungszeiger, der auch als Raumzeiger bezeichnet wird, in einem Polarkoordinatensystem. Dieser Raumzeiger weist eine Länge auf, die proportional zur Amplitude (Stromstärke bzw. Spannungshöhe) ist und einen Winkel bezüglich einer der Achsen des Polarkoordinatensystems aufweist. Durch diese Bestromung ergibt sich auch ein Magnetfeld, das durch einen Magnetfeldzeiger repräsentiert werden kann, der in fester Relation zu dem Raumzeiger steht. Durch das Magnetfeld wird ein Drehmoment auf den z. B. permanentmagnetische Elemente aufweisenden Rotor ausgeübt, so dass der Rotor in einem kräftefreien System dazu veranlasst wird, sich entlang des Magnetzeigers auszurichten. Nach der parallelen Ausrichtung des Rotors zum Magnetfeld im kräftefreien System ist das Drehmoment Null (0), da dann der Hebelarm Null ist.
Der Berührpunkt kann beispielsweise als absoluter Drehwinkel des Rotors des Motors des Fahrpedalaktuators angegeben werden. Unter dem absoluten Drehwinkel ist dabei z. B. eine Rotorlage zu verstehen, die auch mehr als 360° betragen kann. So ist es z. B. bei einer Getriebeübersetzung zwischen dem Rotor und dem Drehwinkelsensor möglich, dass eine vollständige Umdrehung des Rotors um 360° nur eine Drehung am Drehwinkelsensor um 36° bewirkt, hier wäre also die Übersetzung 10:1. Um eine 360°-Drehung am Drehwinkelsensor zu bewirken wäre also eine absolute Drehung des Rotors um 3600° notwendig. Der Raumzeiger müsste also auch 3600°, also 10 volle Umdrehungen, gedreht werden, unter der Annahme eines einzigen Polpaares. Bei 2 oder mehr Polpaaren wird die Anzahl der Umdrehungen mit der Anzahl der Polpaare multipliziert.
Auch kann der Berührpunkt als Wegpunkt angegeben werden, den die Spitze der Feder zurücklegt. Unter dem „Berührpunkt” kann beispielsweise ein Wegpunkt verstanden werden, bei dem die Feder mechanisch, z. B. unmittelbar, in Kontakt mit dem Fahrpedal gelangt. Es kann jedoch derjenige Punkt darunter verstanden werden, bei dem die Feder ein zusätzliches, mit zunehmendem Weg z. B. steigendes, Drehmoment auf das Fahrpedal ausübt. Wegpunkte vor dem Berührpunkt sind dann derartige Wegpunkte, bei dem die Feder bestenfalls lose in Kontakt mit dem Fahrpedal steht, jedoch kein Drehmoment auf das Fahrpedal ausübt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren: Bestromen eines Stators eines Motors, der einen Rotor und den Stator aufweist, des Fahrpedalaktuators mit einem vordefinierten Raumzeiger, so dass der Rotor einen vordefinierten Rotorweg zurücklegt. Der Rotorweg kann auch als Motorweg bezeichnet werden. Mit anderen Worten: Der Rotor wird mit dem Drehfeld mitgeschleppt und wird auf diese Weise um eine vordefinierte Winkellage, z. B. 1800° Rotorweg, gedreht. Weiter umfasst das Verfahren: Messen einer Rotorposition entlang des Rotorwegs; Ermitteln eines Lastwinkels entlang des Rotorwegs, wobei der Lastwinkel basierend auf einer Differenz eines Phasenlagewinkels des vordefinierten Raumzeigers und eines Rotorlagewinkels bei der Rotorposition berechnet wird; Ermitteln einer Leerweggeraden basierend auf dem Lastwinkel in einem ersten Abschnitt des Rotorwegs; Ermitteln einer Federlastgeraden basierend auf dem Lastwinkel in einem zweiten Abschnitt des Rotorwegs; Ermitteln des Berührpunkts als Schnittpunkt der Leerweggeraden und der Federmomentgeraden.
Anfangs kann sich der Rotor in einer Ausgangsposition (am Anfang des Motorwegs) an einem Wegpunkt noch vor dem Berührpunkt befinden Wegpunkte vor dem Berührpunkt sind dann derartige Wegpunkte, bei dem die Feder bestenfalls lose in Kontakt mit dem Fahrpedal steht, jedoch kein Drehmoment auf das Fahrpedal ausübt. Der Stator kann dann beispielsweise mit einem Raumzeiger konstanter Frequenz bestromt werden, wobei der Stator mit drei oder mehr Phasen bestromt werden kann. Die Bestromung kann so lange aufrechterhalten werden, bis der Rotor eine Endposition (ein Ende des Rotorwegs) erreicht hat, bei der die Feder den Pedalhebel sicher berührt hat.
Solange sich der Rotor in Bewegung befindet, kann mit einem Motorwegsensor bzw. einem Rotorlagesensor die aktuelle Motorposition bestimmt werden. Der Motorwegsensor kann ein Rotorlagesensor sein, der den aktuellen, relativen Drehwinkel des Rotors gegenüber dem Stator des Motors bestimmen kann. Aus dem relativen Drehwinkel kann mittels Zählen ein absoluter Drehwinkel bestimmt werden, der als Rotorposition verwendet werden kann und aus dem der Rotorlagewinkel berechnet werden kann.
Aus der aktuellen Rotorposition kann ein Lastwinkel bestimmt werden, der aus einer Differenz des Rotorlagewinkels und eines Phasenlagewinkels des Raumzeigers berechnet werden kann. Der Rotorlagewinkel kann dabei wie oben angegeben auf einem relativen Drehwinkel zwischen Rotor und Stator basieren. Die Erfassung eines relativen Winkels ist auch noch nach einer möglichen Getriebeeinheit realisierbar. Der Phasenlagewinkel ist durch den Raumzeiger im Polarkoordinatensystem definiert. Das Polarkoordinatensystem kann beispielsweise mit zwei Achsen, einer α-Achse und einer β-Achse, aufgespannt werden. Dabei repräsentiert die α-Achse den Realteil und die β-Achse den Imaginärteil des Raumzeigers (der Imaginärteil kann z. B. mit dem Symbol „j” bezeichnet werden). Der Raumzeiger erzeugt wie oben beschrieben ein magnetisches Drehfeld, welches eine Magnetkraft auf den Rotor ausübt. Je größer der Lastwinkel zwischen dem Raumzeiger und der Rotorlage ausgebildet ist, desto größer ist das Drehmoment, welches auf den Rotor wirkt (der Lastwinkel ist dabei proportional zum Hebelarm). Somit kann der Lastwinkel als Maß für ein auf den Rotor wirkendes Lastmoment (z. B. Reibung oder auch das zusätzlich wirkende Federmoment) verwendet werden.
In einem ersten Abschnitt des Rotorwegs, in dem angenommen wird, dass die Feder den Pedalhebel noch nicht berührt hat bzw. noch nicht wirkverbunden ist, kann somit angenommen werden, dass lediglich ein Reibmoment (z. B. ein konstantes Reibmoment) auf den Motor wirkt, d. h., dass in dem ersten Abschnitt der Lastwinkel bzw. das Drehmoment konstant ist. Aus den ermittelten Messpunkten des Lastwinkels entlang des ersten Abschnitts kann eine Leergerade (beispielsweise durch Mittelung) ermittelt werden, die diesen konstanten Lastwinkel bzw. dieses konstante Drehmoment wiedergibt. Dies entspricht auch einem ersten Zustand (keine Wirkverbindung Feder-Motor).
In dem zweiten Abschnitt des Rotorwegs, in dem angenommen wird, dass die Feder den Pedalhebel bereits berührt hat, kann angenommen werden, dass das Reibmoment und die Feder auf den Motor wirken (zweiter Zustand). In dem zweiten Abschnitt kann eine lineare Abhängigkeit (mit Offset) für den Lastwinkel angenommen werden – mit steigender Verspannung der Feder steigt das von der Feder gegen den Motor ausgeübte Drehmoment. Aufgrund einer z. B. konstanten Amplitude des Raumzeigers und dem daraus folgenden konstanten Magnetfeld, welches auf den Rotor wirkt, muss nun der Lastwinkel steigen. Denn mit steigendem Lastwinkel (bis 90°) ergibt sich ein steigendes Drehmoment, welches das steigende Drehmoment der Feder kompensiert. Bei 90° Lastwinkel ist das Drehmoment maximal. Würde dann das Federmoment weiter erhöht könnte der Rotor dem Statormagnetfeld nicht mehr folgen, der Rotor würde „durchrutschen”.
Aus den ermittelten Messpunkten des Lastwinkels entlang des zweiten Abschnitts kann eine Federlastgerade (beispielsweise durch Mittelung) ermittelt werden, die diese Abhängigkeit wiedergibt. Somit kann das Verfahren auf jede Art von mechanischen Federn, wie etwa Drehfedern, angewendet werden, solange diese eine im Wesentlichen lineare Kennlinie aufweisen.
Der Berührpunkt der Feder mit dem Pedalhebel kann nun aus dem Schnittpunkt der beiden Geraden ermittelt werden. An der Rotorposition, an der die konstante Abhängigkeit (d. h. konstanter Lastwinkel, also konstante Winkeldifferenz zwischen Raumzeiger und Rotorlagewinkel im Polarkoordinatensystem) in eine lineare Abhängigkeit (Lastwinkel steigt linear mit zunehmendem Drehwinkel des Raumzeigers des Stators) übergeht, kann angenommen werden, dass die Feder den Pedalhebel berührt hat. Dabei kann hilfreich sein, wenn die Amplitude bzw. Länge des Raumzeigers konstant bleibt. Das Verfahren ist prinzipiell auch mit nicht konstanter Geschwindigkeit sowie nicht konstanter Amplitude des Raumzeigers möglich.
Das Verfahren, das ohne Regelung auskommt, d. h. ein Open-Loop-Verfahren ist, ist weniger störanfällig gegenüber Motorrippel und benötigt keine spezielle Reglerentwicklung für seine Funktionsweise. Dabei sind Motorrippel beispielsweise Drehmomentschwankungen, die aus einem nicht 100%ig symmetrischen Aufbau der Statorwicklungen herrühren. Im Closed-Loop-Betrieb können dagegen größere Drehmomentschwankungen auftreten, da ein Regler versucht Störungen zu kompensieren. Das Verfahren ist somit bei höherer Genauigkeit gegenüber bekannten Verfahren auch noch robuster gegenüber Störungen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Motordrehmoment entlang des Rotorwegs aus dem Lastwinkel ermittelt. Wie oben beschrieben ist, kann der Lastwinkel als Maß des auf den Rotor wirkenden Drehmoments (Lastmoments) aufgefasst verwendet werden. Diese Bestimmung des Motordrehmoments kann ohne die Zuhilfenahme weiterer Sensoren wie z. B. Stromsensoren erfolgen, wodurch Kosten gespart werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Motordrehmoment basierend auf einem mathematischen Motormodell ermittelt. Das mathematische Motormodell kann eine oder mehrere mathematische Funktionen umfassen, in der der Lastwinkel eingesetzt werden kann, um das Motordrehmoment zu berechnen. Diese Berechnung kann online, d. h. in einer Steuerung, die das Verfahren ausführt, geschehen. Für einen BLDC-Motor bzw. eine permanenterregte Synchronmaschine kann das Motormodell auf einem inversen Motormodell basieren. Mit anderen Worten: Aus den bekannten Gleichungen für die Spannungen U_d und U_q in einem rotorfesten dq-Koordinatensystem kann auf die vorherrschenden Ströme I_d und I_q für den stationären Fall zurückgerechnet werden und mit den Strömen auf das Motordrehmoment.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Leerweggerade und/oder die Federlastgerade aus dem Motordrehmoment ermittelt. Die berechneten Motordrehmomente über den Rotorweg und insbesondere in dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des Rotorwegs können dazu verwendet werden, Parameter für die beiden Geraden zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung basiert die Leerweggerade auf einem über den ersten Abschnitt gemittelten Leerwegmoment. Beispielsweise kann die Leergerade ohne Steigung mit einem konstanten Leerwegmoment parametriert sein. Dieses Leerwegmoment kann als Mittelwert über den ersten Abschnitt gebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung basiert die Federlastgerade auf einer über den zweiten Abschnitt gemittelten Federkonstanten. Beispielsweise kann die Federlastgerade mit einer Federkonstanten als konstante Steigung und einem Federoffsetmoment parametriert sein. Die beiden Parameter können beispielsweise mit einer Regressionsgeraden über den zweiten Abschnitt ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden Parameter der Leerweggeraden in dem ersten Abschnitt und/oder Parameter der Federlastgerade in dem zweiten Abschnitt mittels eines rekursiven Mittelwerts geschätzt. Mit anderen Worten: Bei unbekannter Anzahl von Messwerten kann der Mittelwert durch eine bekannte Rekursionsformel ermittelt werden. Beispielsweise kann bei jeder neuen Bestimmung des Rotorlagewinkels aus einem Messwert bzw. aus dem daraus berechneten Motordrehmoment ein vorhandener Mittelwert korrigiert werden, beispielsweise durch Addition eines Korrekturwerts zu dem vorhandenen Mittelwert.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Raumzeiger eine konstante Winkelgeschwindigkeit auf. Beispielsweise kann die Länge des Raumzeigers konstant sein. Dadurch kann die Rückrechnung auf das Motordrehmoment wesentlich vereinfacht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Motorweg in den ersten Abschnitt, einen Mittelabschnitt und den zweiten Abschnitt unterteilt, wobei der Mittelabschnitt basierend auf einem angenommenen Berührpunkt gewählt ist. Die Anfangs- und Endpositionen der einzelnen Abschnitte können basierend auf Erfahrungswerten fest vorgegeben sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrpedal für ein Fahrzeug.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Fahrpedal einen Fahrpedalhebel, einen Fahrpedalaktuator mit einem Motor, der einen Rotor und einen Stator aufweist, und einer Feder, die zwischen dem Motor und dem Fahrpedalhebel angeordnet ist, so dass mittels des Motors über die Feder haptische Signale auf dem Fahrpedalhebel erzeugbar sind; und eine Steuerung, die dazu ausgeführt ist, den Motor anzusteuern, Messsignale von einem Motorwegsensor des Motors zu empfangen und das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Beispielsweise kann der Motor ein BLDC-Motor bzw. eine permanenterregte Synchronmaschine sein. Am Motor kann entweder ein Sensor zur Erfassung der mechanischen Rotorlage auf dem Rotorschaft selbst oder aber auf einer beliebigen Achse nach einem potentiellen Getriebe, die starr mit dem Abtrieb des Getriebes verbunden ist, aufgebracht sein. Durch modellbasierte Ermittlung des Motordrehmoments kann mit dem Fahrpedal dann ein Berührpunkt der Feder mit dem Fahrpedalhebel ermittelt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
1 zeigt schematisch ein Fahrpedal gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Diagramm mit einem Motordrehmoment über einen Rotorweg, das von dem Fahrpedal aus der 1 erzeugt wird.
3 zeigt ein Diagramm mit Variablen und deren Abhängigkeiten, die in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden.
4 zeigt ein Diagramm mit einem Lastwinkel, der von dem Fahrpedal aus der 1 erzeugt wird.
5 zeigt ein Diagramm mit einem Motormoment, das aus dem Lastwinkel der 4 berechnet wurde.
6 zeigt ein Diagramm, das eine Berechnung eines Reibmoments gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert.
7 zeigt ein Diagramm, das eine Berechnung einer Federkonstanten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein aktives Fahrpedal 10 mit einem Aktuator 12, der in einem Pedalhebel 13 des Fahrpedals 10 haptische Signale erzeugen kann. Der Aktuator 12 umfasst z. B. einen herkömmlichen Motor oder einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) 14 oder eine permanenterregte Synchronmaschine 14, der auf eine mechanische Feder 16 wirken kann, die mit dem Fahrpedal mechanisch in Verbindung steht bzw. in Verbindung bzw. in Wirkverbindung gebracht werden kann. Beispielsweise können mit dem BLDC-Motor 14 kurze Stöße oder Vibrationen über die Feder 16 in dem Pedalhebel 13 erzeugt werden. Die Feder 16 kann z. B. als eine linear wirkende Schraubenfeder ausgebildet sein. Sie kann jedoch auch als eine Spiralfeder in der Art einer Uhrenfeder ausgebildet sein, die sich um eine Achse des Fahrpedalhebels spiralförmig herumwindet.
Die Bewegungen des BLDC-Motors 14 werden von einer Steuerung 18 bewirkt, die den BLDC-Motor 14 mit einem Raumzeiger U_αβ konstanter Länge (U₀) und konstanter Drehgeschwindigkeit (dφ_U/dt) versorgen kann, die entsprechend moduliert wird (grundsätzlich kann das Verfahren auch mit einem Raumzeiger nicht konstanter Länge bzw. nicht konstanter Drehgeschwindigkeit ausgeführt werden). Weiter kann die Steuerung 18 Signale von einem in den BLDC-Motor 14 integrierten Motorwegsensor 20 bzw. Rotorlagesensor 20 empfangen, aus denen die Steuerung 18 eine Rotorposition des BLDC-Motors 14 (wie etwa den Drehwinkel zwischen dessen Rotor und Stator) bestimmen kann. 2 zeigt einen Rotorweg 22. Es ist zu erkennen, dass die Feder 16 nicht über den gesamten Rotorweg 22 mit der Feder 16 in Berührung bzw. Wirkverbindung stehen muss. Z. B. kann die Feder 16 in einem Bereich 24 des gesamten Motorwegs 22 nicht mit dem Pedalhebel 13 in Wirkverbindung stehen.
In einer Anfangsposition (1), an der der Rotorweg 22 beginnt, steht die Feder 16 nicht mit dem Pedalhebel 13 in Berührung bzw. nicht in Wirkverbindung. D. h.: die Feder 16 überträgt kein zusätzliches, vom Weg abhängiges Drehmoment auf den Fahrpedalhebel 13. Bei einem Berührpunkt (2) kontaktiert die Feder 16 den Pedalhebel 13 bzw. tritt die Feder 16 mit dem Pedalhebel in Wirkverbindung und kann nun ein zusätzliches Drehmoment auf den Pedalhebel 13 übertragen. Danach bis zu einer Endposition (3), an der der Rotorweg 22 endet, wird die Feder 16 durch den Motor 14 in einem Bereich 26 kontrahiert bzw. gespannt und übt daher entgegen der Motorweg-Richtung ein Drehmoment auf den Motor 14 bzw. dessen Rotor aus. Eine Motorposition auf dem Rotorweg 22 kann beispielsweise mit einem absoluten Drehwinkel φ_rot des Rotors des Motors 14 gegenüber dessen Stator angegeben werden.
Das Diagramm zeigt das auf den Motor 14 wirkende Drehmoment M_Motor (welches auch mit T_Motor oder T_mot oder T_Mot bezeichnet sein kann), wenn der Rotorweg 22 durch den Motor mit konstanter Geschwindigkeit durchfahren wird. Zwischen der Anfangsposition (1) und dem Berührpunkt (2) wirkt ein konstantes Drehmoment entgegen der Drehrichtung des Rotors, das beispielsweise auf internen Reibkräften der Anordnung basiert. Zwischen dem Berührpunkt (2) und der Endposition (3) steigt das Drehmoment linear an, abhängig von der Federkonstante der Feder 16. Denn mit steigender Kompression der Feder 16 bzw. Verdrehung der Feder 16 steigt das von der Feder entgegen der Drehrichtung des Rotors ausgeübte Drehmoment an. Bei einer linear wirkenden Feder ergibt sich in erster Näherung die Federkraft, die für die Bestimmung des Drehmoments noch mit dem z. B. als konstant angenommenen Hebelarm multipliziert werden muss, z. B. gemäß der Relation F = c·x, wobei F die Federkraft ist, c die Federkonstante und x der Weg, um den die Feder 16 komprimiert wird.
Das Verfahren startet z. B. am unteren mechanischen Endanschlag und erreicht nicht zwingend den oberen mechanischen Endanschlag, jedoch fährt der Rotor weit genug, so dass die Feder im relevanten Arbeitsbereich betätigt wird. Das Verfahren kann beispielsweise zu Beginn des Fahrbetriebs oder zum Ende des Fahrbetriebs durchgeführt werden. Ein Ausführen des Verfahrens ist während des Fahrbetriebs grundsätzlich auch möglich.
In Bezug auf die 3 bis 6 wird nun ein Verfahren beschrieben, mit dem der Berührpunkt (2) bzw. dessen Position auf dem Rotorweg 22 bestimmt werden kann. Das Verfahren kann von der Steuerung 18 durchgeführt werden, wobei lediglich die Signale des Motorwegsensors 20 ausgewertet werden müssen.
Insgesamt wird der BLDC-Motor 14 über den gesamten Rotorweg 22 Open-Loop (d. h. ohne Regelung) angesteuert. Dazu kann der Stator des BLDC-Motors 14 mit einem Raumzeiger bestromt werden, wobei die Länge bzw. Amplitude dieses Raumzeigers z. B. konstant bleibt und wobei die Winkelgeschwindigkeit des Raumzeigers z. B. konstant gewählt ist. Der Raumzeiger kann z. B. aus drei zueinander um eine jeweils konstante Phase versetzten Steuerspannungen erzeugt werden. Auf diese Weise bewegt sich der Raumzeiger mit quasikonstanter (Winkel) Geschwindigkeit zwischen der Anfangsposition (1) und der Endposition (3). Bevorzugt wird die Amplitude bzw. die Länge des Raumzeigers so groß gewählt, dass am Rotor auch am Ende des Rotorwegs 22 ein ausreichend großes Drehmoment zur Verfügung steht, um das entgegengesetzte Drehmoment aus Reibung und der Feder 16 am Ende des Rotorwegs 22 zu kompensieren.
In der 3 sind die drei Phasen der Steuerspannung A, B, C und der Raumzeiger U_αβ im Polarkoordinatensystem gezeigt. Durch Vorgabe eines in seiner Länge und mit seiner Drehgeschwindigkeit konstanten Raumzeigers wird im Motor 14 z. B. mittels der Statorwicklungen ein Drehfeld mit konstanter Geschwindigkeit erzeugt, das zu einer Geschwindigkeit des Motors 14 bzw. des Rotors des Motors 14 führt, die wiederum durch den Rotorlagesensor 20 gemessen werden kann.
Dieses Drehfeld schleppt den Motor 14 bzw. den Rotor des Motors 14 durch die Bereiche 24, 26, wobei sich abhängig von der Reibung im Bereich 24 ein nahezu konstanter Lastwinkel φ_load zwischen dem Phasenlagewinkel φ_U des vorgegebenen Drehfelds und tatsächlich gemessenen elektrischen Rotorlagewinkel φ_rot einstellt. Beispielsweise würde unter der Annahme, dass keinerlei Reibung und keinerlei Gegendrehmoment vorliegt, der Lastwinkel φ_load ungefähr 0° (Null Grad) betragen. Im Bereich 26 ergibt sich eine lineare Abhängigkeit aufgrund der Federkonstanten der Feder 16. Der Lastwinkel φ_load steigt also mit zunehmendem Gegendrehmoment (Lastmoment) der Feder 16 an, da die Amplitude des Raumzeigers konstant gehalten wird. Nur durch eine Vergrößerung des Hebelarms des Rotors zur Kraft bzw. zum Angriffspunkt der Kraft des (vom Betrag her konstanten) Magnetfelds des Stators kann das zusätzlich durch die Feder 16 aufgeprägte Gegendrehmoment kompensiert werden. Dabei ist die Länge des Hebelarms hier abhängig vom Lastwinkel φ_load.
Eine Steuerspannung für den Motor 14 bzw. für den Stator des Motors 14 wird durch eine Steuerung 18 derart erzeugt, dass ein Raumzeiger mit einer Phasenlage φ_U im statorfesten αβ-System mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert. Das Polarkoordinatensystem kann beispielsweise mit zwei Achsen, einer α-Achse und einer β-Achse, aufgespannt werden. Dabei repräsentiert die α-Achse den Realteil und die β-Achse den Imaginärteil des Raumzeigers (der Imaginärteil kann z. B. mit dem Symbol „j” bezeichnet werden). Wirkt ein konstantes Lastmoment auf den Motor 14, kann der Raumzeiger U_αβ weiterhin in dem rotorfesten dq-System als konstanter Phasenlagenwinkel beschrieben werden. Der Rotorlagewinkel bzw. die Rotorposition φ_rot kann aus dem Signal des Rotorlagesensors 20 durch die Steuerung 18 bestimmt werden.
Während der Rotor des Rotors des Motors 14 nun den Rotorweg 22 durchfährt, werden nun die folgenden Schritte immer wieder von der Steuerung 18 (periodisch) ausgeführt, um den Berührpunkt (2) zu bestimmen.
In einem ersten Schritt wird die aktuelle Rotorposition φ_rot des Motors 14 mit dem Rotorlagesensor 20 ermittelt. Um die Signale des Motorwegsensors 20 bzw. Rotorlagesensors 20 interpretieren zu können, kann eine Grundadaption notwendig sein, die beispielsweise aus Verfahren zur Identifikation der Rotorlage bei einem aktiven Fahrpedal bzw. einer Drosselklappe bekannt ist. Bei dieser Ausgestaltung ist z. B. kein direkt am Motor 14 angeordneter Rotorlagesensor 20 notwendig.
Aus der Rotorposition φ_rot kann dann der Lastwinkel φ_load gemäß φ_load = φ_U – φ_rot bestimmt werden. Der Lastwinkel φ_load ergibt sich also als Winkeldifferenz aus dem Phasenlagewinkel φ_U des Raumzeigers und dem Winkel der Rotorposition φ_rot.
4 zeigt ein Diagramm mit einem normalisierten Lastwinkel φ_load, der über die Zeit t aufgetragen ist und der aus einem realen Signal eines Motowegsensors 20 bzw. Rotorlagesensors 20 bestimmt wurde. Da der Raumzeiger des Stators des Motors 14 mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, ist die Rotorposition φ_rot proportional zur Zeit t.
In einem zweiten Schritt wird die Motorspannung U_dq im rotorfesten dq-System berechnet gemäß U_d = U₀·cos(φ_load) U_q = U₀·sin(φ_load)
U₀ entspricht dabei der Länge des Raumzeigers U_αβ.
Daraus kann dann das Motordrehmoment T_mot mithilfe eines inversen stationären Motormodells berechnet werden (das Motordrehmoment T_mot kann auch als das Drehmoment des Rotors angesehen werden).
Dabei sind L_d und L_q in das dq-System transformierte Induktivitäten, R_mot ein Widerstand der Wicklung und ω_el die Kreisfrequenz basierend auf dem Spannungsvektor bzw. dem Raumzeiger U_αβ. N ist die Poolpaarzahl des BLDC Motors oder einer permanenterregten Synchronmaschine, I_d und I_q sind die aus dem inversen Motormodell berechneten Ströme und k_mot die Motorkonstante.
Die Fehler, die sich beim Vernachlässigen der Stromdynamik
ergeben, wirken sich vernachlässigbar auf die Berechnung des Motordrehmoments T_mot aus.
5 zeigt ein Diagramm mit einem Motordrehmoment T_mot, das über eine Rotorposition φ_rot aufgetragen ist und das aus dem Lastwinkel φ_load der 4 berechnet wurde. Die Rotorposition φ_rot ist dabei im Pedalkoordinatensystem angegeben, wobei beispielsweise die Übersetzung eines Getriebes einbezogen wurde.
Wie aus der 5 hervorgeht, ist das Motordrehmoment T_mot in einem ersten Abschnitt 28 nahezu konstant, während es in einem zweiten Abschnitt 30 linear ansteigt. Zur Definition der Abschnitte 28, 30 wurde dabei ein Mittelabschnitt 32 des Rotorwegs 22 ausgelassen, in dem sich der Berührpunkt 34 befinden muss. Die Endpositionen der Abschnitte 28, 30 können beispielsweise fest in der Steuerung 18 vorgegeben sein. Die Endposition des ersten Abschnitts 28 kann dabei in der Nähe des Berührpunkts 34 liegen. Die Endposition des zweiten Abschnitts 30 kann dabei kurz vor oder auf dem mechanischen Endanschlag liegen (in 3 am rechten Ende).
Basierend auf diesen Abschnitten 28, 30 werden von der Steuerung nun Parameter für eine Leerweggerade 36 bzw. eine Federlastgerade 38 aus dem Motordrehmoment T_mot in einem dritten Schritt ermittelt.
Befindet sich der Motor 14 bzw. der Rotor des Motors 14 bzw. die Rotorposition φ_rot im ersten Abschnitt 28, wird als Parameter der Leerweggeraden 36, die als konstante Funktion angenommen wird, ein Leerwegmoment T_L rekursiv geschätzt. Dies ist in der 6 dargestellt. Für jeden neuen Messpunkt der Rotorposition φ_rot wird ein zugehöriges Motordrehmoment berechnet und für die Mittelung der Leerweggeraden einbezogen. Der berechnete Mittelwert für das Leerwegmoment T_L am Ende des ersten Abschnitts 28 wird dann als Parameter für die Leerweggerade 36 übernommen.
Befindet sich der Motor 14 bzw. der Rotor des Motors 14 bzw. die Rotorposition φ_rot im zweiten Abschnitt 30, werden als Parameter der Federlastgeraden 38, die als k₁·φ + k₂ parametriert werden kann, deren Steigung k₁ als Federkonstante und ein Offset k₂ rekursiv geschätzt. Der zweite Abschnitt 30 wird z. B. ab einem Schwellwert für das Motordrehmoment definiert, welches höher ist als das maximal berechnete Motordrehmoment im ersten Abschnitt 28. Dies kann analog der Schätzung für das Leerwegmoment T_L erfolgen. Die 7 zeigt die Entwicklung des Schätzwerts für die Federkonstante k₁ über den zweiten Abschnitt 30. Die Schätzwerte für die Federkonstante k₁ und den Offset k₂ am Ende des zweiten Abschnitts 30 werden dann als Parameter für die Federlastgerade 38 übernommen.
Wenn der Motor 14 den kompletten Rotorweg 22 durchfahren hat, kann dann der berechnete Berührpunkt 34 aus den Schätzwerten für die Parameter T_L, k₁, k₂ bestimmt werden. Die Position des Berührpunkts 34 auf dem Rotorweg 22 ergibt sich dabei aus der Position des Schnittpunkts der Leerweggeraden 36 und der Federlastgeraden 38.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend”, „umfassend” etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Berührpunkts (34) einer Feder (16) eines Fahrpedalaktuators (12) mit einem Fahrpedalhebel (13), das Verfahren umfassend: – Bestromen eines Motors (14), der einen Rotor und einen Stator aufweist, des Fahrpedalaktuators (12) mit einem vordefinierten Raumzeiger, so dass der Rotor einen vordefinierten Rotorweg (22) zurücklegt; – Messen einer Rotorposition (φ_rot) entlang des Rotorwegs (22); – Ermitteln eines Lastwinkels (φ_load) entlang des Rotorwegs (22), wobei der Lastwinkel (φ_load) basierend auf einer Differenz eines Phasenlagewinkels (φ_U) des vordefinierten Raumzeigers und eines Rotorlagewinkels (φ_rot) bei der Rotorposition (φ_rot) berechnet wird; wobei ein Motordrehmoment (T_Mot) entlang des Rotorwegs (22) aus dem Lastwinkel (φ_load) ermittelt wird – Ermitteln einer Leerweggeraden (36) basierend auf dem Lastwinkel (φ_load) in einem ersten Abschnitt (28) des Rotorwegs (22); – Ermitteln einer Federlastgeraden (38) basierend auf dem Lastwinkel (φ_load) in einem zweiten Abschnitt (30) des Rotorwegs (22); – Ermitteln des Berührpunkts (34) als Schnittpunkt der Leerweggeraden (36) und der Federlastgeraden (38); wobei die Leerweggerade (36) und/oder die Federlastgerade (38) aus dem Motordrehmoment (T_Mot) ermittelt werden; wobei die Leerweggerade (36) auf einem über den ersten Abschnitt (28) gemittelten Leerwegmoment (T_L) basiert; und/oder wobei die Leerweggerade (36) ohne Steigung mit einem konstanten Leerwegmoment (T_L) parametriert ist; wobei die Federlastgerade (38) auf einer über den zweiten Abschnitt (30) gemittelten Federkonstanten (k₁) basiert; und/oder wobei die Federlastgerade (38) mit einer Federkonstanten (k₁) als konstante Steigung und einem Federoffsetmoment parametriert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Motordrehmoment (T_Mot) basierend auf einem mathematischen Motormodell ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Raumzeiger eine konstante Winkelgeschwindigkeit (dφ_U/dt) aufweist und wobei insbesondere die Länge des Raumzeigers (U₀) konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Parameter der Leerweggeraden (36) in dem ersten Abschnitt (28) und/oder Parameter der Federlastgerade (38) in dem zweiten Abschnitt (30) mittels eines rekursiven Mittelwerts geschätzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotorweg (22) in den ersten Abschnitt (28), einen Mittelabschnitt (32) und den zweiten Abschnitt (30) unterteilt ist, wobei der Mittelabschnitt (32) basierend auf einem angenommenen Berührpunkt gewählt ist.
Fahrpedal (10) für ein Fahrzeug, das Fahrpedal (10) umfassend: einen Fahrpedalhebel (13); einen Fahrpedalaktuator (12) mit einem Motor (14), der einen Rotor und einen Stator aufweist, und einer Feder (16), die zwischen dem Motor (14) und dem Fahrpedalhebel (13) angeordnet ist, so dass mittels des Motors (14) über die Feder (16) haptische Signale auf dem Fahrpedalhebel (13) erzeugbar sind; eine Steuerung (18), die dazu ausgeführt ist, den Motor (14) anzusteuern, Messsignale von einem Rotorwegsensor (20) des Motors (14) zu empfangen und das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.