DE102018213852A1

DE102018213852A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs und Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102018213852A1
Application number: DE102018213852.4A
Authority: DE
Inventors: Joao Bonifacio
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs (104) für ein Fahrrad (100) weist einen Schritt des Bestimmens eines geschätzten Drehwinkels einer Welle (108) des Hilfsantriebs (104) unter Verwendung eines in eine Spule des Hilfsantriebs (104) eingespeisten Anregungssignals, einen Schritt des Bestimmens einer gemessenen Drehrichtung der Welle (108) unter Verwendung eines Sensorsignals, das ein von einem mit der Welle (108) gekoppelten Neigungssensor (106) bereitgestelltes Signal repräsentiert, einen Schritt des Bestimmens einer angenommen Drehrichtung der Welle (108) unter Verwendung eines Anforderungssignals, das eine Richtung eines von dem Hilfsantrieb (104) angeforderten und auf die Welle (108) wirkenden Drehmoments anzeigt, und einen Schritt des Ermittelns eines korrigierten Drehwinkels der Welle (108) unter Verwendung des geschätzten Drehwinkels, der gemessenen Drehrichtung und der angenommenen Drehrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs und auf eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad.
Zum Betrieb eines elektrischen Hilfsantriebs, beispielsweise für ein Fahrrad, ist die Kenntnis einer aktuellen Drehposition des Hilfsantriebs vorteilhaft, beispielsweise um ein ruckfreies Zuschalten des Hilfsantriebs zu ermöglichen.
In der DE 10 2015 100 676 B3 wird die Bestimmung der Drehposition unter Verwendung eines Drehpositionssensors beschrieben.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs und eine verbesserte Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad, gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die aktuelle Drehposition des Hilfsantriebs kann unter Verwendung eines Sensors ermittelt werden, der vorteilhafterweise auch außerhalb des Hilfsantriebs angeordnet werden kann. Die Kenntnis der aktuellen Drehposition des Hilfsantriebs ist wichtig für den Betrieb des Hilfsantriebs. Die Verwendung eines solchen Sensors, beispielsweise in Form eines Neigungssensors, ermöglicht es, ein elektrisch unterstützten Fahrrad zu realisieren, bei dem die Verwendung von Positionssensoren in dem Hilfsantrieb vermieden wird. Dadurch können Kosten reduziert, die Zuverlässigkeit erhöht und auch Platz eingespart werden.
Ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad, umfasst die folgenden Schritte:

Bestimmen eines geschätzten Drehwinkels einer Welle des Hilfsantriebs unter Verwendung eines in eine Spule des Hilfsantriebs eingespeisten Anregungssignals;
Bestimmen einer gemessenen Drehrichtung der Welle unter Verwendung eines Sensorsignals, das ein von einem mit der Welle gekoppelten Sensor, beispielsweise einem Neigungssensor, bereitgestelltes Signal repräsentiert;
Bestimmen einer angenommen Drehrichtung der Welle unter Verwendung eines Anforderungssignals, das eine Richtung eines von dem Hilfsantrieb angeforderten und auf die Welle wirkenden Drehmoments anzeigt; und
Ermitteln eines korrigierten Drehwinkels der Welle unter Verwendung des geschätzten Drehwinkels, der gemessenen Drehrichtung und der angenommenen Drehrichtung.

Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein einen manuellen Antrieb oder einen Verbrennungsmotor und zusätzlich den elektrischen Hilfsantrieb aufweisendes Fahrzeug handeln. Der Hilfsantrieb kann zum alleinigen oder unterstützenden Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um ein Elektrofahrrad, ein sogenanntes E-Bike oder Pedelec handeln. Wenn der Hilfsantrieb aktiv ist, kann der Hilfsantrieb ein zumindest unterstützendes Drehmoment auf die Welle ausüben. Der geschätzte Drehwinkel kann unter Verwendung bekannter Verfahren bestimmt werden, bei denen ein Anregungssignal in den Hilfsantrieb eingespeist wird. Dazu kann beispielsweise eine Charakteristik des Anregungssignals während des Einspeisens oder ein aus dem Anregungssignal resultierendes Antwortsignal ausgewertet werden. Die Charakteristik kann von einer Relativposition zwischen einem Rotor und einem Stator des Hilfsantriebs abhängig sein. Unter Verwendung einer vorbekannten Abhängigkeit der Charakteristik von der Relativposition kann auf den geschätzten Drehwinkel geschlossen werden. Das Anregungssignal kann ein Signal sein, dass einem zum Betrieb des Hilfsantriebs erforderlichen Steuersignal, beispielsweise in Form einer Betriebsspannung, überlagert sein kann. Die gemessene Drehrichtung kann beispielsweise durch Auswerten zeitlich aufeinanderfolgender Werte des Sensorsignals bestimmt werden. Bei dem Sensor kann es sich um einen Sensor handeln, der geeignet ist, um die Drehrichtung direkt zu erfassen oder der geeignet ist, um ein Signal bereitzustellen, aus dem die Drehrichtung bestimmt werden kann. Alternativ zu einem Neigungssensor kann beispielsweise ein Beschleunigungssensor verwendet werden. Das Anforderungssignal kann eine Richtung des zumindest unterstützenden Drehmoments anzeigen, das nach dem Aktiveren des Hilfsantriebs oder bei aktivem Hilfsantrieb auf die Welle wirkt. Das Anforderungssignal kann beispielsweise ein von einer Antriebssteuerung des Hilfsantriebs bereitgestelltes Signal repräsentieren. Unter dem korrigierten Drehwinkel der Welle kann derjenige Winkel verstanden werden, von dem nach Durchführung der Schritte des genannten Verfahrens angenommen wird, dass er der aktuellen realen Drehposition entspricht. Der korrigierte Drehwinkel kann beispielsweise zum Bestimmen des Steuersignals zum Betreiben des Hilfsantriebs verwendet werden. Beispielsweise kann der korrigierte Drehwinkel verwendet werden, um eine Relativposition zwischen einem Rotor und einem Stator des Hilfsantriebs bei der Bestimmung des Steuersignals zu berücksichtigen. Dies ermöglicht beispielsweise ein ruckfreies Zuschalten des Hilfsantriebs.
Im Schritt des Ermittelns kann der geschätzte Drehwinkel als der korrigierte Drehwinkel ermittelt werden, wenn die angenommene Drehrichtung der gemessenen Drehrichtung entspricht. Über die angenommene Drehrichtung kann sehr einfach festgestellt werden, ob eine Korrektur des geschätzten Drehwinkels erforderlich ist.
Ferner kann im Schritt des Ermittelns der korrigierte Drehwinkel als der um π rad korrigierte geschätzte Drehwinkel ermittelt werden, wenn die angenommene Drehrichtung der gemessenen Drehrichtung entgegengesetzt ist. In diesem Fall ist aus der angenommenen Drehrichtung ersichtlich, dass eine Korrektur des geschätzten Drehwinkels erforderlich ist. Die Verwendung der Einheit Radiant als Winkelmaß für die im Verfahren zu verarbeitenden Winkelwerte ist gängige Praxis, kann jedoch ohne Abänderung des hier beschriebenen Ansatzes durch andere Einheiten ersetzt werden. Durch die Korrektur kann eine 180° Positionsungenauigkeit der Rotorposition des Rotors des Hilfsantriebs gewährleistet werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Einspeisens des Anregungssignals in Form eines Hochfrequenzsignals umfassen. Beispielsweise kann ein Hochfrequenzsignal mit einer Signalform gewählt werden, die keine oder nur eine vernachlässigbare Antriebswirkung am Hilfsantrieb auslöst.
Der Schritt des Ermittelns des korrigierten Drehwinkels kann während einer Inbetriebnahme des Hilfsantriebs durchgeführt werden. Die Kenntnis des korrigierten Drehwinkels ist dabei hilfreich, um einen Übergang zwischen einem rein manuellen Antrieb und einem durch den Hilfsantrieb unterstützten Antrieb möglichst fließend zu gestalten.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens eines beobachteten Drehwinkels der Welle unter Verwendung eines Systemmodels des Hilfsantriebs umfassen. Zum Bestimmen des beobachteten Drehwinkels können alle geeigneten modelbasierten Verfahren eingesetzt werden, durch die der beobachtete Drehwinkel unter Verwendung zumindest einer Stellgröße oder Messgröße als nicht messbarer Zustand rekonstruiert werden kann. In einem Schritt des Ermitteins kann ein weiterer korrigierter Drehwinkels der Welle unter Verwendung des geschätzten Drehwinkels und des beobachteten Drehwinkels ermittelt werden. Der weitere korrigierte Drehwinkel kann beispielsweise zur Überprüfung des korrigierten Drehwinkels verwendet werden oder anstelle des korrigierten Drehwinkels eingesetzt werden, beispielsweise wenn die Welle eine Drehgeschwindigkeit aufweist, die über einen Geschwindigkeitsschwellenwert liegt.
Beispielsweise kann der weitere korrigierte Drehwinkel dabei abhängig von einer Abweichung zwischen dem geschätzten Drehwinkel und dem beobachteten Drehwinkel entweder als der geschätzte Drehwinkel oder der beobachtete Drehwinkel ermittelt, oder aber als der um π rad korrigierte beobachtete Drehwinkel ermittelt werden. Auf diese Weise ist wiederum eine einfache Korrektur möglich.
Der Schritt des Ermittelns des weiteren korrigierten Drehwinkels kann während einer Inbetriebnahme des Hilfsantriebs bei einer über einem Geschwindigkeitsschwellenwert liegenden Drehgeschwindigkeit der Welle durchgeführt wird. Dies kann vorteilhaft sein, wenn bei hohen Drehgeschwindigkeiten der Welle der beobachtete Drehwinkel der Welle unter Verwendung des Systemmodels sehr genau bestimmt werden kann.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bereitstellens eines Steuersignals zum Ansteuern des Hilfsantriebs unter Verwendung des korrigierten Drehwinkels und zusätzlich oder alternativ unter Verwendung des weiteren korrigierten Drehwinkels umfassen. Das Steuersignal kann geeignet sein, um den Hilfsantrieb so anzusteuern, das der Hilfsantrieb ein Drehmoment zum alleinigen oder unterstützen Antreiben der welle bereitstellt. Das Steuersignal kann beispielsweise eine Wechselspannung oder ein Schaltsignal zum Schalten eines zum Betreiben des Hilfsantriebs eingesetzten Wechselrichters repräsentieren.
Der beschriebene Ansatz kann unter Verwendung einer Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad umgesetzt werden. Eine solche Vorrichtung ist eingerichtet, um die Schritte des genannten Verfahrens in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad, weist die folgenden Merkmale auf:

einen elektrischen Hilfsantrieb;
einen Neigungssensor, der mit einer Welle des Hilfsantriebs gekoppelt und ausgebildet ist, um ein eine Neigung des Neigungssensors repräsentierendes Sensorsignal bereitzustellen; und
einer genannte Vorrichtung zum Betreiben des Hilfsantriebs.

Bei dem Hilfsantrieb kann es sich um eine geeignete elektrische Maschine, beispielweise in Form eines Gleichstrom-, Wechsel- oder Drehstrommotor handeln. Es kann sich um einen Hilfsantrieb handeln, wie er beispielsweise bei E-Bikes oder Pedelecs bereits eingesetzt wird. Bei dem Neigungssensor kann es sich um einen bekannten Sensor handeln, der einen Neigungswinkel überwachen kann. Beispielsweise kann der Neigungssensor als ein mikroelektromechanischer Sensor mit einem FederMasse-System realisiert sein. Der Neigung des Neigungssensor kann eine Drehposition der Welle zugeordnet sein. Der Neigungssensor kann direkt an der Welle oder an einem mit der Welle gekoppelten Teil der Welle angeordnet sein. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle zum Empfangen des Sensorsignals aufweisen. Das Sensorsignal kann eine Neigung oder eine Drehgeschwindigkeit der Welle anzeigen.
Beispielsweise kann der Neigungssensor außerhalb des Hilfsantriebs angeordnet sein. Auf diese Weise ist der Neigungssensor einfach zugänglich.
Die Antriebsvorrichtung kann ein mit der Welle gekoppeltes Pedal aufweisen. Dabei kann der Neigungssensor an dem Pedal angeordnet sein. Das Pedal bietet ausreichend Platz für eine geschützte Anordnung des Neigungssensors.
Alternativ zu einem Neigungssensor kann auch auf eine andere Sensorart zurückgegriffen werden, die eine Bestimmung einer Drehrichtung der Welle ermöglicht. Vorteilhafterweise kann somit eine pi-Unsicherheit bei sensorlose Regelung für niedrige Drehzahlen durch einen Positionssensor der Pedale gelöst werden, wobei sich sensorlos auf den Hilfsantrieb beziehen kann. Durch ein solches Lösen der pi-Unsicherheit werden Drehmomentsprünge vermieden, da keine Stromsprünge in der q-Achse appliziert werden müssen. Ferner sind keine Hardwareänderungen am Hilfsantrieb erforderlich.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrrads mit einer Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 ein Blockdiagramm zum Ermitteln eines korrigierten Drehwinkels gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 ein Blockdiagramm zum Ermitteln eines weiteren korrigierten Drehwinkels gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrrads 100 mit einer Vorrichtung 102 zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs 104 des Fahrrads 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist das Fahrrad 100 beispielhaft für ein mit dem Hilfsantrieb 104 zumindest unterstützend antreibbares Fahrzeug gezeigt.
Der Hilfsantrieb 104 ist Teil einer Antriebsvorrichtung des Fahrrads 100. Die Antriebsvorrichtung weist gemäß einem Ausführungsbeispiel neben dem Hilfsantrieb 104 und der Vorrichtung 102 beispielhaft einen Neigungssensor 106 auf, der mit einer Welle 108 des Hilfsantriebs gekoppelt ist. Beispielhaft ist der Neigungssensor 106 außerhalb eines Gehäuses des Hilfsantriebs 104 an einem mit der Welle 108 starr gekoppelten Pedal 110 des Fahrrads 100 angeordnet. Anstelle des Neigungssensors 106 kann auch ein anderer geeigneter Sensor eingesetzt werden.
Im Betrieb des Hilfsantriebs 104 ist der Hilfsantrieb 104 ausgebildet, um entsprechend bekannter Elektrofahrräder ein von einem Fahrer des Fahrrads 100 anforderbares Drehmoment zum Drehen der Welle 108 und somit zum zumindest unterstützenden Antrieb des Fahrrads 100 bereitzustellen. Wenn der Hilfsantrieb 104 nicht im Betrieb ist, oder wenn der Fahrer des Fahrrads 100 den Hilfsantrieb 104 unterstützen möchte, so kann der Fahrer die Welle 108 zusätzlich oder alternativ über das Pedal 110 antreiben.
Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, um einen Drehwinkel der Welle 108 unter Verwendung eines von dem Neigungssensor 106 bereitgestellten Signals zu ermitteln. Optional ist die Vorrichtung 102 ferner ausgebildet, um ein Steuersignal zum Steuern des Hilfsantriebs 106 unter Verwendung des ermittelten Drehwinkels bereitzustellen. Das Steuersignal kann dabei den Hilfsantrieb 106 so ansteuern, dass das angeforderte Drehmoment von dem Hilfsantrieb 106 bereitgestellt wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 102 zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um eine Vorrichtung 102 und einen Hilfsantrieb 106 handeln, wie sie anhand von 1 beschrieben sind.
Die Vorrichtung 102 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Bestimmungseinrichtung 220 zum Bestimmen eines geschätzten Drehwinkels 222 der Welle des Hilfsantriebs 104 auf. Die Bestimmungseinrichtung 220 ist ausgebildet, um den geschätzten Drehwinkel 222 sensorlos zu bestimmen. Dazu ist die Bestimmungseinrichtung 220 ausgebildet, um den geschätzten Drehwinkel 222 unter Verwendung eines in eine Spule des Hilfsantriebs 104 eingespeisten Anregungssignals 224 zu bestimmen. Beispielsweise ist die Bestimmungseinrichtung 220 ausgebildet, um das Anregungssignal 224 an eine Schnittstelle zu dem Hilfsantrieb 104 bereitzustellen und den geschätzten Drehwinkel 222 unter Verwendung eines aus dem Anregungssignal 224 resultierenden Antwortsignals zu bestimmen. Beispielsweise kann zum Bestimmen des geschätzten Drehwinkels 222 eine Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal 224 und dem Antwortsignal ausgewertet werden. Die Bestimmungseinrichtung 220 ist beispielsweise ausgebildet, um einen den geschätzten Drehwinkel 222 repräsentierenden Wert in Form eines elektrischen Signals bereitzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt das Anregungssignal 224 ein Hochfrequenzsignal dar.
Zur Einspeisung des Anregungssignals 224 können alle geeigneten Injektionsschemata, beispielsweise alternierend, rotierend oder beliebig, eingesetzt werden, die es ermöglichen eine Information über den Drehwinkel zu erhalten, die zum Bestimmen des geschätzten Drehwinkels 222 verwendet werden kann.
Die Vorrichtung 102 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine weitere Bestimmungseinrichtung 230 auf, die ausgebildet ist, um eine gemessene Drehrichtung 232 der Welle unter Verwendung eines Sensorsignals 234 zu bestimmen. Die weitere Bestimmungseinrichtung 230 ist ausgebildet, um das Sensorsignal 234 über eine Schnittstelle zu dem Neigungssensor 106 zu empfangen. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiel zeigt das Sensorsignal 234 eine Neigung der Welle oder eine Drehgeschwindigkeit der Welle an. Die weitere Bestimmungseinrichtung 230 ist beispielsweise ausgebildet, um einen die gemessene Drehrichtung 232 repräsentierenden Wert in Form eines elektrischen Signals bereitzustellen.
Die Vorrichtung 102 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine zusätzliche Bestimmungseinrichtung 240 auf, die ausgebildet ist, um eine angenommen Drehrichtung 242 der Welle unter Verwendung eines Anforderungssignals 244 zu bestimmen. Das Anforderungssignals 244 zeigt eine Richtung eines von dem Hilfsantrieb 104 angeforderten und auf die Welle wirkenden Drehmoments an. Beispielsweise wird das Anforderungssignals 244 von einer Steuereinrichtung 250 bereitgestellt, die ausgebildet ist, um ein Steuersignal 252 an den Hilfsantrieb 104 bereitzustellen, um den Hilfsantrieb 104 so anzusteuern, das der Hilfsantrieb das angeforderte Drehmoment bereitstellt. Die zusätzliche Bestimmungseinrichtung 240 ist beispielsweise ausgebildet, um einen die angenommen Drehrichtung 242 repräsentierenden Wert in Form eines elektrischen Signals bereitzustellen.
Die Vorrichtung 102 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Ermittlungseinrichtung 260 auf, die ausgebildet ist, um einen korrigierten Drehwinkel 262 der Welle zu ermitteln. Die Ermittlungseinrichtung 260 ist ausgebildet, um den korrigierten Drehwinkel 262 unter Verwendung des geschätzten Drehwinkels 222, der gemessenen Drehrichtung 232 und der angenommenen Drehrichtung 242 zu ermitteln. Die Ermittlungseinrichtung 260 ist beispielsweise ausgebildet, um einen den korrigierten Drehwinkel 262 repräsentierenden Wert in Form eines elektrischen Signals bereitzustellen.
Die Ermittlungseinrichtung 260 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den geschätzten Drehwinkel 222 als den korrigierten Drehwinkel 262 zu übernehmen, wenn die angenommene Drehrichtung 242 und die gemessene Drehrichtung 232 übereinstimmen. Wenn die angenommene Drehrichtung 242 und die gemessene Drehrichtung 232 nicht übereinstimmen, ist die Ermittlungseinrichtung 260 ausgebildet, um den geschätzten Drehwinkel 222 um π rad zu korrigieren, also beispielsweise den geschätzten Drehwinkel 222 um den Wert π zu erhöhen oder zu verringern und den daraus resultierenden Wert als korrigierten Drehwinkel 262 zu verwenden.
Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 250 ausgebildet, um das Steuersignal 252 unter Verwendung des korrigierten Drehwinkels 262 bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 220 ausgebildet, um unter Verwendung eines Systemmodels des Hilfsantriebs 104 einen beobachteten Drehwinkel 264 der Welle zu bestimmen. Die Ermittlungseinrichtung 260 ist in diesem Fall ausgebildet, um unter Verwendung des geschätzten Drehwinkels 222 und des beobachteten Drehwinkels 264 einen weiteren korrigierten Drehwinkel 266 der Welle zu ermitteln.
Zum Bestimmen des beobachteten Drehwinkels 264 kann auf geeignete bekannte Beobachter zurückgegriffen werden. Beispielsweise können dabei geeignete modellbasierten Techniken verwendet werden. Beispielhaft wird dazu eine geregelte Adaption mit parallelem Vergleichsmodell (engl. MRAS), ein Luenberger Beobachter oder ein Alpha-Beta Beobachter genannt.
Dabei ist die Ermittlungseinrichtung 260 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um eine Abweichung zwischen dem geschätzten Drehwinkel 222 und dem beobachteten Drehwinkel 264 zu bestimmen und den weiteren korrigierten Drehwinkel 266 abhängig von der Abweichung zu bestimmen.
Wenn die Abweichung in einem ersten Bereich liegt, ist die Ermittlungseinrichtung 260 ausgebildet, um den geschätzten Drehwinkel 222 als den weiteren korrigierten Drehwinkel 266 zu verwenden. Alternativ ist die Ermittlungseinrichtung 260 ausgebildet, um den beobachteten Drehwinkel 264 als den weiteren korrigierten Drehwinkel 266 zu verwenden, wenn die Abweichung in dem ersten Bereich liegt
Wenn die Abweichung in einem zweiten Bereich liegt, ist die Ermittlungseinrichtung 260 ausgebildet, den um den Wert π korrigierten beobachteten Drehwinkel 264 als den weiteren korrigierten Drehwinkel 266 zu verwenden. Dabei ist die Ermittlungseinrichtung 260 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den um den Wert π korrigierten beobachteten Drehwinkel 264 als den weiteren korrigierten Drehwinkel 266 zu verwenden, wenn die Abweichung zwischen dem geschätzten Drehwinkel 222 und dem beobachteten Drehwinkel 264 betragsmäßig in etwa dem Wert π entspricht.
Die Steuereinrichtung 250 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um das Steuersignal 252 wahlweise unter Verwendung des korrigierten Drehwinkels 262 oder des weiteren korrigierten Drehwinkels 266 bereitzustellen. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 250 ausgebildet, um den korrigierten Drehwinkel 262 zu verwenden, wenn die aktuelle Drehgeschwindigkeit der Welle betragsmäßig unter einem Geschwindigkeitsschwellenwert liegt und den weiteren korrigierten Drehwinkel 266 zu verwenden, wenn die aktuelle Drehgeschwindigkeit der Welle betragsmäßig über dem Geschwindigkeitsschwellenwert liegt.
Die Funktionalitäten der gezeigten Einrichtungen 220, 230, 230, 250, 260 können auch in anderen Einrichtungen umgesetzt werden. Beispielsweise können dabei Funktionalitäten zusammengefasst oder auf andere als die gezeigten Einrichtungen 220, 230, 230, 250, 260 verteilt werden. Beispielsweise kann die Funktionalität der weiteren Bestimmungseinrichtung 230 in die Ermittlungeinrichtung 260 integriert sein, wie es nachfolgend anhand von 3 beschrieben ist. Auch kann die Funktionalität der Bestimmungseinrichtung 220 auf zwei Einrichtungen aufgeteilt sein, nachfolgend anhand von 4 beschrieben ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden zumindest einige der Funktionalitäten der Einrichtungen 220, 230, 230, 250, 260 in einer integrierten Schaltung umgesetzt.
3 zeigt ein Blockdiagramm zum Ermitteln eines korrigierten Drehwinkels 262 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um einen korrigierten Drehwinkel handeln, wie er anhand von 2 beschrieben ist.
Gezeigt ist der Neigungssensor 106, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein Sensor eines Pedals ausgeführt ist. Der Neigungssensor 106 ist ausgebildet, um das Sensorsignal 234 bereitzustellen, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Drehgeschwindigkeit ω_pedal anzeigt. Der Neigungssensor 106 ist dabei nur beispielhaft gewählt. Alternativ kann beispielsweise auch ein Beschleunigungssensor eingesetzt werden.
Ferner ist die Bestimmungseinrichtung 220 gezeigt, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Einheit zur Selbstsensierung bei einer geringen Geschwindigkeit ausgeführt ist. Die Bestimmungseinrichtung 220 ist ausgebildet, um den geschätzten Drehwinkel 222 bereitzustellen, hier in Form des Werts θ̂.
Eine Ermittlungseinrichtung 360, hier in Form einer Einheit zur Durchführung einer Inbetriebnahmeprozedur, ist ausgebildet, um den korrigierten Drehwinkel 262, hier in Form des Werts θ̂_corr, unter Verwendung des Sensorsignals 234 und des geschätzten Drehwinkels 222 zu ermitteln und bereitzustellen.
Der beschriebene Ansatz ermöglich gemäß einem Ausführungsbeispiel ein sensorloses Anfahren mit Einprägung von HF-Signalen mit Ablösung der π-rad Unsicherheit durch eine Neigungssensor-gesteuerte Pedalpositionierung. Sensorlos kann in diesem Sinne bedeuten, dass kein innerhalb des Hilfsmotors verbauter Sensor benötigt wird. Über die Einprägung der HF-Signale, die als Anregungssignale aufgefasst werden können, kann der geschätzten Drehwinkel 222 bestimmt werden.
Vorteilhafterweise kann auf diese Weise eine Steuerung des Hilfsantriebs in Form einer elektrischen Maschine in E-Bikes oder Pedelec-Anwendungen ohne die Verwendung von Positionssensoren realisiert werden. Dabei kann ein elektrisch unterstütztes Fahrrad oder ein anderes elektrisch unterstütztes Fahrzeug mit einem Zusatzmerkmal zur Pedalpositionierung bei Nulldrehzahl mit einem Neigungssensor 106 realisiert werden. Ein dem zugrundeliegender Algorithmus verwendet gemäß einem Ausführungsbeispiel die Information der gemessenen Pedalposition zum Lösen der inhärenten π-Unsicherheit bei Selbstüberwachungsverfahren mit niedriger Geschwindigkeit.
Bei dem beschriebenen Ansatz zur sensorlosen Steuerung bei niedriger Geschwindigkeit kann eine Unsicherheit von π Radiant bei der ersten Winkelschätzung behoben werden. Dieser Ansatz kann anstelle oder zusätzlich zu der Injektion von Spannungsimpulsen in q-Richtung verwendet werden, die dazu führen, dass der Motor akustische Störungen erzeugt. Vorteilhafterweise funktioniert der hier beschriebene Ansatz für alle gängigen Arten von Maschinen, da spezielle Konstruktionseigenschaften der Maschinen bei dem hier beschriebenen Ansatz nicht störend sind. Somit können unabhängig von der Art des Hilfsantriebs zuverlässige Ergebnisse für den korrigierten Drehwinkel 262 erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird dazu der Neigungssensor 106 als Beispiel für einen Pedalpositionssensor, zum Identifizieren einer Winkelausrichtung verwendet, um herauszufinden, ob der als geschätzter Drehwinkel 222 bezeichnete berechnete Winkel ein Nord- oder ein Südpol ist. Auf diese Weise kann über den korrigierten Drehwinkel 262 eine exakte Stellung des Rotors des Hilfsantriebs bestimmt werden.
Anhand des in 3 gezeigten Blockdiagramm wird nachfolgend das zugrundeliegende Schema zur Ermittlung des korrigierten Drehwinkels 262 gemäß einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Der Wert θ_corr des korrigierten Drehwinkels 262 kann zwei mögliche Werte annehmen: $θ_{c o r r} = \hat{θ}$
oder $θ_{c o r r} = \hat{θ} + π$
Die Wahl zwischen diesen beiden Optionen wird gemäß basierend auf dem Vorzeichen des angewiesenen Motordrehmoments, dem erwarteten Vorzeichen für die Drehgeschwindigkeit ω_pedal und deren tatsächlichen Wert getroffen. Die Drehgeschwindigkeit kann der Pedalgeschwindigkeit entsprechen. Wenn das Vorzeichen von ω_pedal seinem erwarteten Wert entspricht, dann wird Gleichung (1) gewählt. Wenn das Vorzeichen von ω_pedal dem erwarteten Wert entgegengesetzt ist, dann wird Gleichung (2) gewählt.
In diesem Fall kann die Bewegung des Pedals akzeptiert werden, da die Bewegung der Funktion der Positionierung des Pedals innewohnt. Wenn diese Funktion nicht verfügbar ist, kann die Pedalbewegung trotzdem akzeptiert werden, wenn sie minimal gehalten wird. Dies ist nur notwendig, um das Vorzeichen der Pedalgeschwindigkeit zu erkennen.
Dieser Startvorgang wird gemäß einem Ausführungsbeispiel jedes Mal ausgeführt, wenn der Motor eingeschaltet wird.
4 zeigt ein Blockdiagramm zum Ermitteln eines weiteren korrigierten Drehwinkels 266 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Gezeigt ist die Bestimmungseinrichtung 220, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Einheit zur Selbstsensierung bei einer geringen Geschwindigkeit ausgeführt ist. Die Bestimmungseinrichtung 220 ist ausgebildet, um den geschätzten Drehwinkel 222 bereitzustellen, hier in Form des Werts θ̂_LS. Die geringe Geschwindigkeit kann dabei unterhalb des bereits genannten Geschwindigkeitsschwellenwerts liegen.
Ferner ist eine Bestimmungseinrichtung 420 gezeigt, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Einheit zur Selbstsensierung bei einer hohen Geschwindigkeit ausgeführt ist. Die Bestimmungseinrichtung 420 ist ausgebildet, um den beobachteten Drehwinkel 264 bereitzustellen, hier in Form des Werts θ̂_HS.
Eine Ermittlungseinrichtung 460, hier in Form einer Einheit zum Mischen, ist ausgebildet, um den weiteren korrigierten Drehwinkel 266, hier in Form des Werts θ̂_Hyb, unter Verwendung des beobachteten Drehwinkels 264 und des geschätzten Drehwinkels 222 zu ermitteln und bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der weitere korrigierte Drehwinkel 266 als Sicherheitsfunktion bestimmt, um die korrekte Winkelausrichtung zu verfolgen.
Selbstüberwachungsverfahren können für den gesamten Geschwindigkeitsbereich durch das Mischen von zwei verschiedenen Arten von Beobachtungseinrichtungen implementiert werden. Es kann ein Beobachter basierend auf einer Signaleinspeisung für niedrige Geschwindigkeiten und eine modellbasierte Strategie für höhere Geschwindigkeiten verwendet werden. In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Strategie gezeigt.
Um die Ausrichtung des Winkels θ̂_LS, hier des geschätzten Drehwinkels 222 zu überprüfen, die Ausrichtung zu verfolgen und es dem System sogar zu ermöglichen, den Start bei höheren Geschwindigkeiten durchzuführen, wird der Winkel θ̂_LS mit dem Winkel θ̂_HS , hier in Form des beobachteten Drehwinkels 264, verglichen. Wenn die Differenz dieser beiden Werte π ± ∈ ist, wobei ∈ eine vordefinierte Toleranz ist, dann gilt: ${\hat{θ}}_{H S_{c o r r}} = {\hat{θ}}_{H S} + π$
Der anhand der vorangegangen Figuren beschriebene Ansatz kann mit allen möglichen Injektionsschemata (alternierend, rotierend, beliebig, etc.) und allen modellbasierten Techniken (MRAS, Luenberger Observer, Alpha-Beta Beobachter, etc.) verwendet werden.
Die Funktionalitäten der anhand der 3 und 4 beschriebenen Blockdiagramme können unter Verwendung der anhand der 1 und 2 gezeigten Vorrichtungen ausgeführt werden oder durch Ausführen von Verfahrensschritten des anhand von 5 beschriebenen Verfahrens umgesetzt werden.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem Hilfsantrag für ein Fahrrad eingesetzt werden.
In einem Schritt 501 wird ein geschätzter Drehwinkel einer Welle des Hilfsantriebs unter Verwendung eines in eine Spule des Hilfsantriebs eingespeisten Anregungssignals bestimmt. Zeitgleich oder zeitlich gering versetzt wird in einem Schritt 503 eine gemessenen Drehrichtung der Welle unter Verwendung eines Sensorsignals bestimmt. Das Sensorsignal wird in einem optionalen Schritt 505 unter Verwendung eines Sensors, beispielsweise einem Neigungssensor, bereitgestellt. In einem Schritt 507 wird eine angenommene Drehrichtung der Welle unter Verwendung eines Anforderungssignals bestimmt, das eine Richtung eines von dem Hilfsantrieb angeforderten und auf die Welle wirkenden Drehmoments anzeigt. In einem Schritt 509 wird ein korrigierter Drehwinkel der Welle unter Verwendung des geschätzten Drehwinkels, der gemessenen Drehrichtung und der angenommenen Drehrichtung ermittelt.
In einem optionalen Schritt 511 wird das Anregungssignal in den Hilfsmotor eingespeist. Optional wird in dem Schritt 511 ferner ein durch das Anregungssignal bewirktes Antwortsignal empfangen. In diesem Fall kann im Schritt 501 der geschätzte Drehwinkel unter Verwendung des Anregungssignals und zusätzlich oder alternativ unter Verwendung des Antwortsignals bestimmt werden.
Die Schritte 501, 503, 505, 507, 509, 511 werden beispielsweise während einer Inbetriebnahme des Hilfsantriebs durchgeführt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner einen Schritt 513 des Bestimmens eines beobachteten Drehwinkels der Welle unter Verwendung eines Systemmodels des Hilfsantriebs auf. In einem Schritt 515 wird ein weiterer korrigierter Drehwinkel der Welle unter Verwendung des geschätzten Drehwinkels und des beobachteten Drehwinkels ermittelt.
In einem Schritt 517 wird optional ein Steuersignal zum Ansteuern des Hilfsantriebs unter Verwendung des korrigierten Drehwinkels und/oder des weiteren korrigierten Drehwinkels bereitgestellt.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Fahrrad
102: Vorrichtung
104: Hilfsantrieb
106: Neigungssensor
108: Welle
110: Pedal
220: Bestimmungseinrichtung
222: geschätzter Drehwinkel
224: Anregungssignal
230: weitere Bestimmungseinrichtung
232: gemessene Drehrichtung
234: Sensorsignal
240: zusätzliche Bestimmungseinrichtung
242: angenommen Drehrichtung
244: Anforderungssignal
250: Steuereinrichtung
252: Steuersignal
260: Ermittlungseinrichtung
262: korrigierter Drehwinkel
264: beobachteter Drehwinkel
266: weiterer korrigierter Drehwinkel
360: Ermittlungseinrichtung
420: Bestimmungseinrichtung
460: Ermittlungseinrichtung
501: Schritt des Bestimmens eines geschätzten Drehwinkels
503: Schritt des Bestimmens einer gemessenen Drehrichtung
505: Schritt des Bereitstellens eines Sensorsignals
507: Schritt des Bestimmens einer angenommenen Drehrichtung
509: Schritt des Ermittelns eines korrigierten Drehwinkels
511: Schritt des Einspeisens
513: Schritt des Bestimmens eines beobachteten Drehwinkels
515: Schritt des Ermittelns eines weiteren korrigierten Drehwinkels
517: Schritt des Bereitstellens eines Steuersignals

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015100676 B3 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs (104) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad (100), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen (501) eines geschätzten Drehwinkels (222) einer Welle (108) des Hilfsantriebs (104) unter Verwendung eines in eine Spule des Hilfsantriebs (104) eingespeisten Anregungssignals (224); Bestimmen (503) einer gemessenen Drehrichtung (232) der Welle (108) unter Verwendung eines Sensorsignals (234), das ein von einem mit der Welle (108) gekoppelten Sensor, insbesondere einem Neigungssensor (106), bereitgestelltes Signal repräsentiert; Bestimmen (507) einer angenommen Drehrichtung (242) der Welle (108) unter Verwendung eines Anforderungssignals (244), das eine Richtung eines von dem Hilfsantrieb (104) angeforderten und auf die Welle (108) wirkenden Drehmoments anzeigt; und Ermitteln (509) eines korrigierten Drehwinkels (262) der Welle (108) unter Verwendung des geschätzten Drehwinkels (222), der gemessenen Drehrichtung (232) und der angenommenen Drehrichtung (242).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (509) des Ermittelns der geschätzte Drehwinkel (222) als der korrigierte Drehwinkel (262) ermittelt wird, wenn die angenommene Drehrichtung (242) der gemessenen Drehrichtung (232) entspricht.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (509) des Ermittelns der korrigierte Drehwinkel (262) als der um π rad korrigierte geschätzte Drehwinkel (222) ermittelt wird, wenn die angenommene Drehrichtung (242) der gemessenen Drehrichtung (232) entgegengesetzt ist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt (511) des Einspeisens des Anregungssignals (224) in Form eines Hochfrequenzsignals umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (509) des Ermittelns des korrigierten Drehwinkels (262) während einer Inbetriebnahme des Hilfsantriebs (104) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt (513) des Bestimmens eines beobachteten Drehwinkels (264) der Welle (108) unter Verwendung eines Systemmodels des Hilfsantriebs (104) umfasst und einen Schritt (515) des Ermittelns eines weiteren korrigierten Drehwinkels (266) der Welle (108) unter Verwendung des geschätzten Drehwinkels (222) und des beobachteten Drehwinkels (264) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (515) des Ermittelns der weitere korrigierte Drehwinkel (266) abhängig von einer Abweichung zwischen dem geschätzten Drehwinkel (222) und dem beobachteten Drehwinkel (264) entweder als der geschätzte Drehwinkel (222) oder der beobachtete Drehwinkel (264), oder aber als der um π rad korrigierte beobachtete Drehwinkel (264) ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (515) des Ermittelns des weiteren korrigierten Drehwinkels (266) während einer Inbetriebnahme des Hilfsantriebs (104) bei einer über einem Geschwindigkeitsschwellenwert liegenden Drehgeschwindigkeit der Welle (108) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt (517) des Bereitstellens eines Steuersignals (252) zum Ansteuern des Hilfsantriebs (104) unter Verwendung des korrigierten Drehwinkels (262) und/oder des weiteren korrigierten Drehwinkels (266) umfasst.
Vorrichtung (102) zum Betreiben eines elektrischen Hilfsantriebs (104) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (102) eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: einen elektrischen Hilfsantrieb (104); einen Neigungssensor (106), der mit einer Welle (108) des Hilfsantriebs (104) gekoppelt und ausgebildet ist, um ein eine Neigung des Neigungssensors (106) repräsentierendes Sensorsignals (234) bereitzustellen; und einer Vorrichtung (102) gemäß Anspruch 10 zum Betreiben des Hilfsantriebs (104).
Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungssensor (106) außerhalb des Hilfsantriebs (104) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung ein mit der Welle (108) gekoppeltes Pedal (110) aufweist, wobei der Neigungssensor (106) an dem Pedal (110) angeordnet ist.