DE102020212195A1 - Method and device for synchronizing a dog clutch between an electric drive and a transmission - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Synchronisieren einer Klauenkupplung (40) zwischen einem elektrischen Antrieb (30) und einem Getriebe (50), wobei der elektrische Antrieb (30) mittels eines Antriebsstromrichters (20) gespeist wird, wobei ein getriebeseitiger Lagewinkel (41) der Klauenkupplung (40) mittels einer Sensorik (2) erfasst wird, wobei ein antriebsseitiger Lagewinkel (42) der Klauenkupplung (40) ausgehend von erfassten Istphasenströmen (lu,lv,lw) geschätzt und/oder mittels einer weiteren Sensorik (6) erfasst wird, wobei ein Ansteuern des Antriebsstromrichters (20) mittels einer Phasenspannungen (19) stellenden Stromregelung (11) erfolgt, wobei zusätzlich zur Stromregelung (11) eine Vorsteuerung (7) verwendet wird, wobei mittels der Vorsteuerung (7) ausgehend von zumindest dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel (41), dem geschätzten und/oder erfassten antriebsseitigen Lagewinkel (42) und einer Istdrehzahl (n_i) des elektrischen Antriebs (20) Vorsteuerspannungen (8) bestimmt werden, mit denen die gestellten Phasenspannungen (19) zum Vorgeben von Sollphasenspannungen (9) für den Antriebsstromrichter (20) beaufschlagt werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zum Synchronisieren einer Klauenkupplung (40) zwischen einem elektrischen Antrieb (30) und einem Getriebe (50).The invention relates to a method for synchronizing a dog clutch (40) between an electric drive (30) and a transmission (50), the electric drive (30) being fed by means of a drive converter (20), with a transmission-side position angle (41) of the Claw clutch (40) is detected by means of a sensor system (2), with a drive-side position angle (42) of the claw clutch (40) being estimated on the basis of detected actual phase currents (lu, lv, lw) and/or detected by means of a further sensor system (6), the drive converter (20) is controlled by means of a current controller (11) that adjusts phase voltages (19), with a pilot control (7) being used in addition to the current controller (11), with the pilot controller (7) starting from at least the detected gear-side position angle (41), the estimated and / or detected drive-side position angle (42) and an actual speed (n_i) of the electric drive (20) pilot voltages (8) be are correct, with which the set phase voltages (19) for specifying target phase voltages (9) for the drive converter (20) are applied. The invention also relates to a device (1) for synchronizing a dog clutch (40) between an electric drive (30) and a transmission (50).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Synchronisieren einer Klauenkupplung zwischen einem elektrischen Antrieb und einem Getriebe.The invention relates to a method and a device for synchronizing a dog clutch between an electric drive and a transmission.

Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen können Antriebsstrangsysteme derart ausgestaltet sein, dass ein elektrischer Antrieb von einem Getriebe zur Laufzeit abgekoppelt und stillgesetzt werden kann. Dies erfolgt meist über eine Klauenkupplung. Das Stillsetzen eines elektrischen Antriebs in einem Allrad-Fahrzeug hat den Vorteil, dass eine mechanische Lagerung des Antriebs eine höhere Lebensdauer aufweist, da nicht alle elektrischen Antriebe des Fahrzeugs zu jeder Zeit betrieben werden. Zudem entfallen drehzahlabhängige Verluste wie eine Lagerreibung, Ummagnetisierungsverluste und Verluste aus einer Feldschwächung. Ein derart gestaltetes Fahrzeug besitzt somit für die Antriebe einer Vorder- und Hinterachse eine unterschiedliche Lebensdauer, was das Bereitstellen von hochverfügbaren, d.h. ausfallsicheren, Fahrzeugen erlaubt.In the case of electric and hybrid vehicles, drive train systems can be designed in such a way that an electric drive can be decoupled from a transmission during operation and can be shut down. This is usually done via a claw coupling. Stopping an electric drive in a four-wheel drive vehicle has the advantage that a mechanical bearing of the drive has a longer service life, since not all of the vehicle's electric drives are operated at all times. In addition, there are no speed-dependent losses such as bearing friction, hysteresis losses and losses from field weakening. A vehicle designed in this way therefore has a different service life for the drives of a front and rear axle, which allows the provision of highly available, i.e. fail-safe, vehicles.

Beim Wiedereinkuppeln eines stillgesetzten elektrischen Antriebs an das Getriebe ist eine Synchronisation einer antriebsseitigen Klaue mit einer getriebeseitigen Klaue der Klauenkupplung notwendig, bei der eine richtige Positionierung der Klauen zueinander erforderlich ist. Stehen sich die Klauen direkt gegenüber, so ist ein Einkuppeln bzw. Einspuren nicht möglich und es muss nacheinander ein mehrfaches Einkuppeln bzw. Einspuren versucht werden. Eine hieraus resultierende effektive Einkuppelzeit bzw. Einspurzeit ist für einen Fahrer des Fahrzeugs nachteilig, da hierdurch Beschleunigungsvorgänge des Fahrzeuges verzögert werden können. Damit eine höhere Einkuppel-/Einspur-Wahrscheinlichkeit der Klauenkupplung erzielbar ist, werden Klauenkupplungen häufig mit einem größeren Anteil an Freiräumen zwischen den Klauen sowie mit abgeschrägten Klauendächern ausgeführt. Insgesamt benötigen diese Maßnahmen jedoch einen größeren Bauraum, reduzieren eine Leistungsdichte, führen zu größeren mechanischen Anregungen und verbessern nur die Situation, lösen diese aber nicht befriedigend.When re-coupling a stopped electric drive to the transmission, synchronization of a drive-side claw with a transmission-side claw of the claw clutch is necessary, in which case correct positioning of the claws relative to one another is required. If the claws are directly opposite each other, it is not possible to engage or engage the clutch and multiple engagements or engagements must be attempted one after the other. An effective engagement time or engagement time resulting from this is disadvantageous for a driver of the vehicle, since acceleration processes of the vehicle can be delayed as a result. So that a higher engagement/engagement probability of the claw clutch can be achieved, claw clutches are often designed with a larger proportion of free spaces between the claws and with slanted claw roofs. Overall, however, these measures require more installation space, reduce power density, lead to greater mechanical excitations and only improve the situation, but do not resolve it satisfactorily.

Demgegenüber ermöglicht eine präzise Hochdrehzahl-Lagesynchronisation des elektrischen Antriebs auf die Klaue des Getriebes eine ideale Lösung. Die korrekte Einregelung auf einen richtigen Lagewinkel erfordert allerdings eine hochdynamische Regelung, da der Antriebsstrang Schwingungen ausführt. An diese Schwingungen muss sich der elektrische Antrieb in Bezug auf eine jeweils aktuelle Lagewinkelposition angleichen. Die Schwingungen kommen aus den Reifen in Wechselwirkung mit der Fahrbahn. Auch das Getriebe erzeugt Resonanzanregungen durch einen Zahneingriff von untersetzenden Zahnrädern.In contrast, a precise high-speed position synchronization of the electric drive to the claw of the gearbox enables an ideal solution. Correct adjustment to a correct position angle, however, requires highly dynamic control, since the drive train oscillates. The electric drive has to adapt to these vibrations in relation to a current angular position. The vibrations come from the tires interacting with the road surface. The gearbox also generates resonance excitations through meshing of reducing gears.

Eine Regelung des elektrischen Antriebs ist bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen als Kaskadenregelung ausgeführt. Eine Stromregelung eines Pulswechselrichters wird von einer Drehmomentregelung überlagert. Soll nun eine Position eingeregelt werden, so ist eine Drehzahlregelung erforderlich, welche der Drehmomentregelung überlagert ist. Der Drehzahlregelung wird wiederum eine Positionsregelung überlagert. Mit dieser Kaskade in Form der überlagerten Regelungen ist eine hochdynamisch schwingende Synchronisierung der Lagewinkel der Klauen jedoch nicht zu erreichen.In electric vehicles and hybrid vehicles, the electric drive is controlled as a cascade control. A current control of a pulse-controlled inverter is superimposed by a torque control. If a position is to be adjusted, a speed control is required, which is superimposed on the torque control. A position control is in turn superimposed on the speed control. However, with this cascade in the form of the superimposed controls, a highly dynamic oscillating synchronization of the position angle of the claws cannot be achieved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Synchronisieren einer Klauenkupplung zwischen einem elektrischen Antrieb und einem Getriebe zu schaffen, mit denen ein Synchronisieren zuverlässig durchgeführt werden kann.The invention is based on the object of creating a method and a device for synchronizing a dog clutch between an electric drive and a transmission, with which synchronization can be carried out reliably.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by a method having the features of patent claim 1 and a device having the features of patent claim 9 . Advantageous configurations of the invention result from the dependent claims.

Insbesondere wird ein Verfahren zum Synchronisieren einer Klauenkupplung zwischen einem elektrischen Antrieb und einem Getriebe zur Verfügung gestellt, wobei der elektrische Antrieb mittels eines Antriebsstromrichters gespeist wird, wobei ein getriebeseitiger Lagewinkel der Klauenkupplung mittels einer Sensorik erfasst wird, wobei ein antriebsseitiger Lagewinkel der Klauenkupplung ausgehend von erfassten Istphasenströmen geschätzt und/oder mittels einer weiteren Sensorik erfasst wird, wobei ein Ansteuern des Antriebsstromrichters mittels einer Phasenspannungen stellenden Stromregelung erfolgt, wobei zusätzlich zur Stromregelung eine Vorsteuerung verwendet wird, wobei mittels der Vorsteuerung ausgehend von zumindest dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel, dem geschätzten und/oder erfassten antriebsseitigen Lagewinkel und einer Istdrehzahl des elektrischen Antriebs Vorsteuerspannungen bestimmt werden, mit denen die gestellten Phasenspannungen zum Vorgeben von Sollphasenspannungen für den Antriebsstromrichter beaufschlagt werden.In particular, a method for synchronizing a dog clutch between an electric drive and a transmission is provided, with the electric drive being fed by means of a drive converter, with a gear-side position angle of the dog clutch being detected by means of a sensor system, with a drive-side position angle of the dog clutch being detected starting from Actual phase currents are estimated and/or detected by means of an additional sensor system, with the drive converter being activated by means of a current control that adjusts phase voltages, with precontrol being used in addition to the current control, with the precontrol based on at least the detected transmission-side position angle, the estimated and/or detected drive-side position angle and an actual speed of the electric drive pilot voltages are determined, with which the set phase voltages for specifying target phase voltages for be applied to the drive converter.

Ferner wird insbesondere eine Vorrichtung zum Synchronisieren einer Klauenkupplung zwischen einem elektrischen Antrieb und einem Getriebe geschaffen, wobei der elektrische Antrieb mittels eines Antriebsstromrichters gespeist wird, umfassend eine Sensorik, eingerichtet zum Erfassen eines getriebeseitigen Lagewinkels der Klauenkupplung, und eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, zum Ansteuern des Antriebsstromrichters eine Phasenspannungen stellende Stromregelung bereitzustellen, und zusätzlich zur Stromregelung eine Vorsteuerung bereitzustellen und mittels der Vorsteuerung ausgehend von zumindest dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel, einem ausgehend von erfassten Istphasenströmen geschätzten und/oder mittels einer weiteren Sensorik erfassten antriebsseitigen Lagewinkel und einer Istdrehzahl des elektrischen Antriebs Vorsteuerspannungen zu bestimmen, und die gestellten Phasenspannungen zum Vorgeben von Sollphasenspannungen für den Antriebsstromrichter mit den Vorsteuerspannungen zu beaufschlagen.Furthermore, in particular a device for synchronizing a dog clutch between an electric drive and a transmission is created, the electric drive being fed by means of a drive converter, comprising a sensor system set up to detect a position angle of the dog clutch on the transmission side, and a control device, the control device being set up for this purpose is to provide a current control that adjusts phase voltages for controlling the drive converter, and to provide a precontrol in addition to the current control and by means of the precontrol based on at least the detected transmission-side position angle, a drive-side position angle estimated based on detected actual phase currents and/or detected by means of a further sensor system and an actual speed to determine the pilot control voltages of the electric drive, and the set phase voltages to specify target phase voltages for the drive current hter to apply the pilot voltages.

Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, das Synchronisieren einer Klauenkupplung zwischen einem elektrischen Antrieb und einem Getriebe zu verbessern. Insbesondere ist ein hochdynamisches Synchronisieren der Lagewinkel der Klauen möglich, bei dem auch auf einer Getriebeseite auftretende Schwingungen berücksichtigt werden können. Erreicht wird dies durch Verwenden einer, insbesondere hochdynamischen, Vorsteuerung. Hochdynamisch soll hierbei insbesondere bedeuten, dass eine Abtast- und Verarbeitungsrate zeitlich hochaufgelöst ist, das heißt dass eine Abtast- und Verarbeitungsrate größer ist als eine Modulationsfrequenz des Antriebsstromrichters. Insbesondere ist hierbei ein Faktor 5, bevorzugt ein Faktor 10, besonders bevorzugt ein Faktor 50 zwischen der Abtast- und Verarbeitungsrate und der Modulationsfrequenz vorgesehen. Die Vorsteuerung bestimmt ausgehend von zumindest einem mittels der Sensorik erfassten getriebeseitigen Lagewinkel, einem ausgehend von erfassten Istphasenströmen geschätzten und/oder mittels einer weiteren Sensorik erfassten antriebsseitigen Lagewinkel und einer Istdrehzahl des elektrischen Antriebs Vorsteuerspannungen. Mittels einer Stromregelung gestellte Phasenspannungen werden zum Vorgeben von Sollphasenspannungen für den Antriebsstromrichter mit den bestimmten Vorsteuerspannungen beaufschlagt. Hierdurch kann ein Führungsverhalten und das Synchronisieren des antriebsseitigen Lagewinkels mit dem getriebeseitigen Lagewinkel auch bei Auftreten von getriebeseitigen Schwingungen verbessert werden.The method and the device make it possible to improve the synchronization of a dog clutch between an electric drive and a transmission. In particular, a highly dynamic synchronization of the position angle of the claws is possible, in which vibrations occurring on one side of the transmission can also be taken into account. This is achieved by using a particularly highly dynamic pilot control. In this case, highly dynamic is intended to mean in particular that a sampling and processing rate has a high temporal resolution, that is to say that a sampling and processing rate is greater than a modulation frequency of the drive converter. In particular, a factor of 5, preferably a factor of 10, particularly preferably a factor of 50, is provided between the sampling and processing rate and the modulation frequency. The pre-control determines pre-control voltages based on at least one transmission-side position angle detected by the sensors, a drive-side position angle estimated based on detected actual phase currents and/or detected by another sensor and an actual speed of the electric drive. Phase voltages set by means of current regulation are subjected to the specific pilot control voltages in order to specify desired phase voltages for the drive converter. As a result, a guiding behavior and the synchronization of the position angle on the drive side with the position angle on the transmission side can also be improved when vibrations on the transmission side occur.

Ein Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung ist, dass durch das verbesserte Synchronisieren das Einkuppeln bzw. Einspuren der Klauen zuverlässiger erfolgen kann. Hierdurch kann eine Erfolgsquote beim Einkuppeln bzw. Einspuren erhöht werden. Darüber hinaus erlaubt es das präzise und hochdynamische Synchronisieren Freiräume zwischen den Klauen zu verringern und die Klauendächer steiler auszubilden, wodurch eine Leistungsdichte erhöht und eine Drehmomentübertragung verbessert werden kann.One advantage of the method and the device is that the improved synchronization means that the clutches can be engaged or engaged more reliably. As a result, a success rate when engaging or engaging can be increased. In addition, the precise and highly dynamic synchronization allows the clearances between the claws to be reduced and the claw roofs to be steeper, as a result of which power density can be increased and torque transmission can be improved.

Eine Regelstrecke für den elektrischen Antrieb umfasst neben der Stromregelung insbesondere noch weitere Elemente. Die Stromregelung ist insbesondere von einer Drehzahlregelung überlagert. Die Drehzahlregelung ist insbesondere von einer Lagewinkelregelung überlagert. Hierdurch wird eine Kaskadenregelung ausgebildet. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, eine solche Regelstrecke bereitzustellen.A controlled system for the electric drive includes, in addition to current control, other elements in particular. The current control is superimposed in particular by a speed control. The speed control is superimposed in particular by a position angle control. This forms a cascade control. In particular, the control device is set up to provide such a controlled system.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Beaufschlagen derart durchgeführt wird, dass Differenzen zwischen Istphasenspannungen und den jeweiligen Vorsteuerspannungen bestimmt werden. Ausgehend von den bestimmten Differenzen werden die gestellten Phasenspannungen dann mit solchen Phasenspannungen beaufschlagt, dass die Sollphasenspannungen den bestimmten Vorsteuerspannungen entsprechen. Die Istphasenspannungen werden beispielsweise mit einer entsprechend hierfür ausgebildeten Sensorik erfasst. Das Bestimmen der Differenzen kann mittels der Steuereinrichtung ausgeführt werden.In particular, it is provided that the application is carried out in such a way that differences between the actual phase voltages and the respective pilot control voltages are determined. Based on the determined differences, the set phase voltages are then subjected to such phase voltages that the target phase voltages correspond to the determined pilot control voltages. The actual phase voltages are recorded, for example, with a sensor system that is appropriately designed for this purpose. Determining the differences can be performed by the controller.

Teile der Vorrichtung, insbesondere die Steuereinrichtung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet sind.Parts of the device, in particular the control device, can be designed individually or combined as a combination of hardware and software, for example as program code that runs on a microcontroller or microprocessor. However, it can also be provided that parts are designed individually or combined as an application-specific integrated circuit (ASIC).

In einem einfachen Beispiel kann die Vorsteuerung die Vorsteuerspannungen beispielsweise auf die im Folgenden beschriebene Weise berechnen. Hierbei wird von einer diskreten Signalverarbeitung mit einzelnen Abtast- und Verarbeitungsschritten k (k = 0, 1, 2, 3,...) ausgegangen, die jeweils eine Abtastzeit T aufweisen.In a simple example, the pre-control can calculate the pre-control voltages, for example in the manner described below. Discrete signal processing with individual sampling and processing steps k (k=0, 1, 2, 3, . . . ) each having a sampling time T is assumed here.

Ausgehend von dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel φGetriebe und dem geschätzten und/oder erfassten antriebsseitigen Lagewinkel φAntrieb wird eine benötigte Drehzahl n(k) des elektrischen Antriebs je Abtastschritt berechnet: n ( k ) = φ G e t r i e b e ( k ) − φ A n t r i e b ( k ) T

Figure DE102020212195A1_0001
mit der diskreten Ableitung: Δ n ( k ) Δ T = n ( k ) − n ( k − 1 ) T
Figure DE102020212195A1_0002
 Based on the detected gear-side position angle φ gear and the estimated and/or detected drive-side position angle φ drive , a required speed n(k) of the electric drive is calculated for each sampling step: n ( k ) = φ G e t right i e b e ( k ) − φ A n t right i e b ( k ) T
Figure DE102020212195A1_0001
 with the discrete derivative: Δ n ( k ) Δ T = n ( k ) − n ( k − 1 ) T
Figure DE102020212195A1_0002

Ausgehend hiervon wird ein erforderliches Drehmoment M des nicht eingekuppelten elektrischen Antriebs berechnet: M = J e A 2 π Δ n ( k ) Δ T

Figure DE102020212195A1_0003
wobei JeA das Trägheitsmoment des elektrischen Antriebs (und des hiermit verbundenen mitdrehenden Teils der Klauenkupplung) ist.Based on this, a required torque M of the non-coupled electric drive is calculated: M = J e A 2 π Δ n ( k ) Δ T
Figure DE102020212195A1_0003
 where J eA is the moment of inertia of the electric drive (and the associated rotating part of the dog clutch).

Aus dem erforderlichen Drehmoment und einer aktuellen Drehzahl n_i des elektrischen Antriebs ergeben sich in Vektorregelung im dq-Koordinatensystem dann aus einem Kennfeld des elektrischen Antriebs die d- und q-Ströme id und iq.The d and q currents i d and i q then result from the required torque and a current speed n_i of the electric drive in vector control in the dq coordinate system from a characteristic map of the electric drive.

Die erhaltenen Größen werden in die Spannungsdifferentialgleichungen (in dq-Koordinaten) des elektrischen Antriebs eingesetzt: ( u d u q ) = R ( i d i q ) + 2 π p n _ i J ( L d 0 0 L q ) ( i d i q ) + d d t ( ( L d 0 0 L q ) ( i d i q ) ) + 2 π p n _ i Ψ P M ( 0 1 )

Figure DE102020212195A1_0004
wobei R ein Phasenstrangwiderstand ist, p eine Polpaarzahl angibt, J eine Drehmatrix für eine Drehung um 90° ist, Ld und Lq die Induktivitäten des elektrischen Antriebs sind, und ψPM die Rotorflussverkettung ist. Die erhaltenen Spannungen ud und uq lassen sich aus dem qd-Koordinatensystem zurück in drei Phasenspannungen transformieren, sodass je eine Vorsteuerspannung für jede der Phasen vorgegeben werden kann.The quantities obtained are used in the voltage differential equations (in dq coordinates) of the electric drive: ( and i.e and q ) = R ( i i.e i q ) + 2 π p n _ i J ( L i.e 0 0 L q ) ( i i.e i q ) + i.e i.e t ( ( L i.e 0 0 L q ) ( i i.e i q ) ) + 2 π p n _ i Ψ P M ( 0 1 )
Figure DE102020212195A1_0004
 where R is a phase phase resistance, p indicates a number of pole pairs, J is a rotation matrix for a rotation through 90°, L d and L q are the inductances of the electric drive, and ψ PM is the rotor flux linkage. The voltages u d and u q obtained can be transformed from the qd coordinate system back into three phase voltages, so that a pilot voltage can be specified for each of the phases.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorsteuerung mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine zeitlich sehr hochaufgelöste Signalerfassung und Signalverarbeitung. Insbesondere ist es möglich, dass eine Signalauswertung, das heißt eine Auswertung der erfassten und/oder geschätzten Lagewinkel und gegebenenfalls weiterer Größen, ohne verarbeitungsbedingte Verzögerung, insbesondere in Echtzeit, mit einer hohen Abtastrate (MHz) durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht es, die Vorsteuerspannungen ebenfalls ohne Verzögerung, insbesondere in Echtzeit, zu bestimmen. Insbesondere kann in der Folge besonders schnell auf Schwingungen im getriebeseitigen Lagewinkel reagiert werden.In one embodiment it is provided that the pilot control is provided by means of at least one field-programmable gate array. This enables signal acquisition and signal processing with very high temporal resolution. In particular, it is possible for a signal evaluation, ie an evaluation of the detected and/or estimated position angles and possibly other variables, to be carried out without a processing-related delay, in particular in real time, with a high sampling rate (MHz). This makes it possible to also determine the pre-control voltages without delay, in particular in real time. In particular, as a result, it is possible to react particularly quickly to vibrations in the position angle on the transmission side.

Durch die parallele Signalverarbeitung eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes kann dieses insbesondere auch hochfrequent (~MHz) abgetastete Größen verarbeiten. Durch die hochfrequente Abtastung lassen sich Abtast- bzw. Aliasing-Effekte als Störgrößen im Signal reduzieren. Eventuelle Rauschanteile der Sensorik können im feldprogrammierbaren Gatterfeld digital gefiltert werden, sodass ein sehr großes Signal-Rausch-Verhältnis für die digitale Weiterverarbeitung bereitgestellt werden kann. Im Vergleich dazu ist ein Mikrocontroller (z.B. DSP) deutlich weniger geeignet, um hochfrequente Signale zu verarbeiten, da die erfassten Werte des DSP jeweils vom erfassenden internen Analog-Digital-Wandler (ADC) zum Prozessorkern transportiert und verarbeitet werden müssen, was zu signallaufzeitbedingten und vorverarbeitungsbedingten Verzögerungen beim Auswerten führt. Bei einem feldprogrammierbaren Gatterfeld stehen die erfassten Werte des ADC den Logikeinheiten stattdessen unmittelbar, das heißt in Echtzeit, zur Verfügung. Auch können mit feldprogrammierbaren Gatterfeldern kostengünstige ADCs ohne weitere Maßnahmen ausgewertet werden, welche einen hochfrequenten digitalen Datenstrom (Bitstrom) erzeugen können, z.B. Delta-Sigma Wandler.Due to the parallel signal processing of a field-programmable gate array, this can in particular also process high-frequency (~MHz) sampled values. Due to the high-frequency sampling, sampling or aliasing effects can be reduced as disturbances in the signal. Any noise components of the sensors can be digitally filtered in the field-programmable gate array, so that a very high signal-to-noise ratio can be provided for further digital processing. In comparison, a microcontroller (e.g. DSP) is significantly less suitable for processing high-frequency signals, since the recorded values of the DSP have to be transported and processed by the internal analog-to-digital converter (ADC) to the processor core, which leads to delay-related and preprocessing-related delays in evaluation. With a field-programmable gate array, the sensed values of the ADC are instead available to the logic units immediately, that is, in real time. Inexpensive ADCs that can generate a high-frequency digital data stream (bit stream), e.g. delta-sigma converters, can also be evaluated with field-programmable gate arrays without further measures.

Das feldprogrammierbare Gatterfeld ist insbesondere ein zur Laufzeit partiell (d.h. teilweise) umkonfigurierbares feldprogrammierbares Gatterfeld. Das Umkonfigurieren erfolgt insbesondere im Wege der partiellen Umkonfiguration, bei der nur ein Teil des Gatterfeldes zur Laufzeit umkonfiguriert bzw. umprogrammiert wird, andere Teile des Gatterfeldes jedoch ihre jeweilige Konfiguration bzw. Programmierung beibehalten. Das Umkonfigurieren wird insbesondere mittels einer Konfigurationssteuerung durchgeführt, welche das Umkonfigurieren durchführt und überwacht. Die Konfigurationssteuerung kann auch mittels der Steuereinrichtung der Vorrichtung bereitgestellt werden. Zum Umkonfigurieren des mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfelds können insbesondere Verfahren zur automatischen Codegenerierung eingesetzt werden, wie beispielsweise der „Xilinx System Generator for DSP“, welcher sowohl eine Quellcode-Modellierung als auch eine Funktionsanalyse automatisiert durchführen kann. Der „System Generator for DSP“ ermöglicht beispielsweise die Modellierung von FPGA-Funktionen in einer Matlab Simulink-Umgebung, sodass die Eigenschaften gegenüber weiteren Simulink-Funktionsblöcken getestet werden können. Durch die automatische Codegenerierung kann sichergestellt werden, dass sich das feldprogrammierbare Gatterfeld identisch zur Simulink-Modellierung verhält.The field-programmable gate array is in particular a field-programmable gate array that can be partially (ie partially) reconfigured at runtime. The reconfiguration takes place in particular by way of partial reconfiguration, in which only part of the gate array is reconfigured or reprogrammed at runtime, but other parts of the gate array retain their respective configuration or programming. The reconfiguration is carried out in particular by means of a configuration control which carries out and monitors the reconfiguration. The configuration control can also be provided by means of the controller of the device. Methods for automatic code generation can be used to reconfigure the at least one field-programmable gate field, such as the “Xilinx System Generator for DSP”, which can automatically carry out both source code modeling and a functional analysis. For example, the "System Generator for DSP" enables the modeling of FPGA functions in a Matlab Simulink environment so that the properties can be tested against other Simulink function blocks. The automatic code generation ensures that the field-programmable gate array behaves identically to Simulink modeling.

Eine Konfiguration eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes umfasst insbesondere Anweisungen, mit denen das feldprogrammierbare Gatterfeld derart programmiert werden kann, dass mittels des programmierten (bzw. konfigurierten oder umkonfigurierten) Teils des feldprogrammierbaren Gatterfeldes eine bestimmte Funktionalität zur Datenverarbeitung bereitgestellt werden kann. Eine solche Funktionalität umfasst vorliegend das Bereitstellen einer Vorsteuerung.A configuration of a field-programmable gate array includes, in particular, instructions with which the field-programmable gate array can be programmed in such a way that a specific functionality for data processing can be provided using the programmed (or configured or reconfigured) part of the field-programmable gate array. In the present case, such a functionality includes the provision of a pilot control.

In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld zum Anpassen eines Vorsteuerverhaltens der Vorsteuerung zumindest teilweise umkonfiguriert wird. Hierdurch kann die Vorsteuerung fortlaufend angepasst werden, beispielsweise um ein sich änderndes Verhalten des Getriebes mit zunehmender Alterung zu berücksichtigen. Beispielsweise kann sich mit zunehmender Alterung des Getriebes ein Schwingungsverhalten ändern.In a further-developing embodiment, it is provided that the at least one field-programmable gate array is at least partially reconfigured to adapt a pre-control behavior of the pre-control. In this way, the pilot control can be continuously adapted, for example to take into account changing behavior of the transmission as it ages. For example, vibration behavior can change as the transmission ages.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eine Schwingung in dem getriebeseitigen Lagewinkel erkannt wird, wobei eine der mindestens einen erkannten Schwingung entsprechende Schwingung für den antriebsseitigen Lagewinkel mittels der Vorsteuerung erzeugt wird. Hierdurch kann eine Vorsteuerung direkt auf eine oder mehrere Schwingungen reagieren. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, mittels hierfür eingerichteter Filter in dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel Schwingungen bestimmter Frequenz zu erkennen. In Abhängigkeit des Vorliegens der jeweils erkannten Schwingungen können entsprechende Schwingungen durch die Vorsteuerspannungen nachgebildet werden und hierdurch durch entsprechendes Ansteuern des elektrischen Antriebs auf den antriebsseitigen Lagewinkel aufgeprägt werden.In one embodiment, it is provided that at least one vibration is detected in the position angle on the transmission side, with a vibration corresponding to the at least one detected vibration being generated for the position angle on the drive side by means of the pilot control. This allows a pilot control to react directly to one or more vibrations. Provision can be made, for example, to detect vibrations of a specific frequency in the position angle detected on the transmission side by means of filters set up for this purpose. Depending on the presence of the respectively detected vibrations, corresponding vibrations can be simulated by the pilot control voltages and thereby impressed on the position angle on the drive side by appropriate control of the electric drive.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorsteuerung mittels eines Maschinenlernverfahrens bereitgestellt wird. Ein solches Maschinenlernverfahren kann beispielsweise ein Neuronales Netz sein und/oder mindestens ein Neuronales Netz umfassen. Das Neuronale Netz ist darauf trainiert, die Funktionalität der Vorsteuerung bereitzustellen. Das Neuronale Netz ist insbesondere darauf trainiert, ausgehend von zumindest dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel, dem ausgehend von den erfassten Istphasenströmen geschätzten und/oder mittels der weiteren Sensorik erfassten antriebsseitigen Lagewinkel und der Istdrehzahl des elektrischen Antriebs die Vorsteuerspannungen zu bestimmen. Das Maschinenlernverfahren, insbesondere das mindestens eine Neuronale Netz, kann beispielsweise mittels des mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfeldes bereitgestellt werden. Dies ermöglicht ein fortlaufendes Nachtrainieren des Maschinenlernverfahrens im Feldeinsatz, beispielsweise um ein sich änderndes Verhalten des Getriebes im Vorsteuerverhalten zu berücksichtigen.One embodiment provides that the pilot control is provided by means of a machine learning method. Such a machine learning method can, for example, be a neural network and/or include at least one neural network. The neural network is trained to provide the functionality of the pre-control. The neural network is trained, in particular, to determine the pilot control voltages based on at least the detected transmission-side position angle, the drive-side position angle estimated based on the detected actual phase currents and/or detected using the additional sensors and the actual speed of the electric drive. The machine learning method, in particular the at least one neural network, can be provided, for example, by means of the at least one field-programmable gate array. This enables continuous retraining of the machine learning process in the field, for example to take into account changing behavior of the transmission in the pre-control behavior.

In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Maschinenlernverfahren mittels mindestens eines Harmonisch Aktivierten Neuronalen Netzes bereitgestellt wird und/oder mindestens ein Harmonisch Aktiviertes Neuronales Netz umfasst. Ein solches Harmonisch Aktiviertes Neuronales Netz (engl. Harmonic Activated Neural Network, HANN) ist insbesondere dazu eingerichtet und/oder darauf trainiert, bestimmte Frequenzen in Signalen zu erkennen. Daher eignet sich ein solches HANN besonders gut zum Erkennen von Schwingungen in dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel.In a further embodiment it is provided that the machine learning method is provided by means of at least one harmonically activated neural network and/or comprises at least one harmonically activated neural network. Such a Harmonic Activated Neural Network (HANN) is in particular set up and/or trained to recognize specific frequencies in signals. Such a HANN is therefore particularly well suited to detecting vibrations in the detected position angle on the transmission side.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach Unterschreiten einer vorgegebenen Lagewinkeldifferenz ein Einkuppeln der Klauenkupplung durchgeführt wird. Die Lagewinkeldifferenz wird beispielsweise mittels der Steuereinrichtung bestimmt und mit der vorgegebenen Lagewinkeldifferenz verglichen. Wird die vorgegebene Lagewinkeldifferenz unterschritten, erzeugt die Steuereinrichtung ein Steuersignal und übermittelt dieses beispielsweise an ein Steuergerät der Klauenkupplung, welches dann das Einkuppeln bzw. Einspuren der Klauen durch eine hierfür eingerichtete Aktorik bewirkt.In one embodiment, it is provided that after the position angle difference falls below a predetermined value, the dog clutch is engaged. The attitude angle difference is determined, for example, by means of the control device and compared with the predetermined attitude angle difference. If the predetermined attitude angle difference is not reached, the control device generates a control signal and transmits it This sends this, for example, to a control unit of the claw clutch, which then causes the clutch to be engaged or engaged by means of actuators set up for this purpose.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein erfolgloses Einkuppeln erfasst wird, wobei nach einem Erfassen eines erfolglosen Einkuppelns mindestens ein Parameter in der Vorsteuerung verändert wird. Hierdurch kann ein lernendes System geschaffen werden, dass sich bei Änderung von Eigenschaften der Klauenkupplung anpasst. Insbesondere eine Alterung der Klauenkupplung, z.B. ein fortschreitender Verschleiß der Klauen, und/oder eine Alterung des Getriebes können zu geänderten Eigenschaften bzw. einem geänderten Verhalten der Klauenkupplung beim Einspuren bzw. Einkuppeln führen. Ein erfolgloses Einkuppeln liegt dann vor, wenn der getriebeseitige Lagewinkel und der antriebsseitige Lagewinkel nicht miteinander synchron sind, das heißt eine Lagewinkeldifferenz zu groß ist, und ein Ineinandergreifen der Klauen der Klauenkupplung hierdurch nicht möglich ist und/oder nicht bewirkt werden kann. Wird ein erfolgloses Einkuppeln, beispielsweise mittels einer hierfür eingerichteten Sensorik, erfasst, so kann beispielsweise eine Eckfrequenz eines Filters, das zum Erkennen von Schwingungen im getriebeseitigen Lagewinkel verwendet wird, verändert werden. Wird die Vorsteuerung mittels eines Maschinenlernverfahrens bereitgestellt, so kann das Maschinenlernverfahren entsprechend nachtrainiert werden.One specific embodiment provides for unsuccessful clutch engagement to be detected, with at least one parameter in the pilot control being changed after unsuccessful clutch engagement has been detected. As a result, a learning system can be created that adapts to changes in the properties of the dog clutch. In particular, aging of the claw clutch, e.g. progressive wear of the claws, and/or aging of the transmission can lead to changed properties or changed behavior of the claw clutch when meshing or engaging. An unsuccessful engagement occurs when the position angle on the transmission side and the position angle on the drive side are not synchronous with one another, i.e. the position angle difference is too large and the claws of the claw clutch cannot and/or cannot engage as a result. If unsuccessful engagement is detected, for example by means of a sensor system set up for this purpose, then, for example, a corner frequency of a filter that is used to detect vibrations in the position angle on the transmission side can be changed. If the pilot control is provided by means of a machine learning method, then the machine learning method can be retrained accordingly.

Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Vorrichtung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.Further features for the configuration of the device result from the description of configurations of the method. The advantages of the device are in each case the same as in the embodiments of the method.

Es wird ferner auch ein Fahrzeug geschaffen, umfassend mindestens eine Vorrichtung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen. Das Fahrzeug kann insbesondere ein Kraftfahrzeug sein. Das Fahrzeug kann grundsätzlich jedoch auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein.Furthermore, a vehicle is also created, comprising at least one device according to one of the described embodiments. The vehicle can in particular be a motor vehicle. In principle, however, the vehicle can also be another land, rail, water, air or space vehicle.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Synchronisieren einer Klauenkupplung zwischen einem elektrischen Antrieb und einem Getriebe;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Regelstrecke zur Verdeutlichung einer Ausführungsform der Vorrichtung.
The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with reference to the figures. Here show:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of the device for synchronizing a dog clutch between an electric drive and a transmission;
  • 2 a schematic representation of a controlled system to illustrate an embodiment of the device.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Synchronisieren einer Klauenkupplung 40 zwischen einem elektrischen Antrieb 30 und einem Getriebe 50 gezeigt. Die Vorrichtung 1 führt insbesondere das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren zum Synchronisieren einer Klauenkupplung 40 zwischen einem elektrischen Antrieb 30 und einem Getriebe 50 aus. Nachfolgend wird das Verfahren insbesondere anhand der Vorrichtung 1 näher erläutert.In 1 a schematic representation of an embodiment of the device 1 for synchronizing a dog clutch 40 between an electric drive 30 and a transmission 50 is shown. Specifically, the device 1 performs the method described in this disclosure for synchronizing a dog clutch 40 between an electric drive 30 and a transmission 50 . The method is explained in more detail below, in particular with reference to the device 1 .

Der elektrische Antrieb 30 ist insbesondere eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (grundsätzlich kann der elektrische Antrieb 30 jedoch auch als Induktionsmaschine ausgebildet sein). Der elektrische Antrieb 30 wird über drei Phasen mittels eines Antriebsstromrichters 20 gespeist, der beispielsweise als Zweipunkt-Pulswechselrichter ausgebildet ist. Der elektrische Antrieb 30 kann über die Klauenkupplung 40 mit einem Getriebe 50 mechanisch verbunden werden, indem Klauen der Klauenkupplung 40 miteinander in Eingriff gebracht werden. Das Getriebe 50 ist beispielsweise ein Getriebe 50 eines Fahrzeugs (nicht gezeigt). Grundsätzlich kann die Vorrichtung 1 aber auch auf anderen Anwendungsgebieten eingesetzt werden.The electric drive 30 is in particular a permanent magnet synchronous machine (in principle, however, the electric drive 30 can also be designed as an induction machine). The electric drive 30 is fed via three phases by means of a drive converter 20, which is designed, for example, as a two-point pulse-controlled inverter. The electric drive 30 can be mechanically connected to a transmission 50 via the claw clutch 40 by claws of the claw clutch 40 being brought into engagement with one another. The transmission 50 is, for example, a transmission 50 of a vehicle (not shown). In principle, however, the device 1 can also be used in other fields of application.

Die Vorrichtung 1 umfasst eine Sensorik 2 und eine Steuereinrichtung 3 mit einer Recheneinrichtung 4 und einem Speicher (nicht gezeigt). Die Recheneinrichtung 4 ist beispielsweise als Mikrocontroller, insbesondere als Digital Signal Processor (DSP) ausgebildet. Die Recheneinrichtung 4 ist dazu eingerichtet, eine Regelstrecke 10 für den elektrischen Antrieb 30 bereitzustellen. Die Regelstrecke 10 umfasst eine Stromregelung 11. Die Stromregelung 11 ist von einer Drehzahlregelung 12 überlagert. Die Drehzahlregelung 12 ist von einer Lagewinkelregelung 13 überlagert. Hierdurch wird eine an sich bekannte Kaskadenregelung ausgebildet.The device 1 comprises a sensor system 2 and a control device 3 with a computing device 4 and a memory (not shown). The computing device 4 is designed, for example, as a microcontroller, in particular as a digital signal processor (DSP). The computing device 4 is set up to provide a controlled system 10 for the electric drive 30 . The controlled system 10 includes a current controller 11. The current controller 11 has a speed controller 12 superimposed on it. The speed control 12 is overlaid by a position angle control 13 . As a result, a cascade control known per se is formed.

Mittels Stromsensoren 14u, 14v, 14w werden Istphasenströme lu, Iv, Iw an den Phasen U, V, W erfasst und nach einer mittels eines Analog-Digital-Wandlers 15 durchgeführten Analog-DigitalWandlung der Steuereinrichtung 3 zugeführt. Die Istphasenströme lu, Iv, Iw werden zusammen mit Sollphasenströmen zum Berechnen eines Fehlers der Stromregelung 11 verwendet.Actual phase currents Iu, Iv, Iw at the phases U, V, W are detected by means of current sensors 14u, 14v, 14w and fed to the control device 3 after an analog-to-digital conversion carried out by means of an analog-to-digital converter 15 . The actual phase currents Iu, Iv, Iw are used together with target phase currents to calculate an error of the current controller 11.

Die Sensorik 2 ist dazu eingerichtet, einen getriebeseitigen Lagewinkel 41 der Klauenkupplung 40 zu erfassen. Die Sensorik 2 ist insbesondere als Winkelsensor, z.B. als Drehgeber oder Inkrementaldrehgeber, ausgebildet.Sensor system 2 is set up to detect a position angle 41 of dog clutch 40 on the transmission side. The sensor system 2 is designed in particular as an angle sensor, for example as a rotary encoder or incremental rotary encoder.

Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 1 eine weitere Sensorik 6 aufweist. Die weitere Sensorik 6 ist dazu eingerichtet, einen antriebsseitigen Lagewinkel 42 der Klauenkupplung 40 zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der antriebsseitige Lagewinkel 42 auch ausgehend von erfassten Istphasenströmen lu, Iv, Iw geschätzt werden.Provision can be made for the device 1 to have an additional sensor system 6 . The additional sensor system 6 is set up to detect a position angle 42 of the dog clutch 40 on the drive side. As an alternative or in addition, the position angle 42 on the drive side can also be estimated on the basis of the actual phase currents Iu, Iv, Iw that have been detected.

Die Steuereinrichtung 3 stellt zusätzlich eine Vorsteuerung 7 bereit. Mittels der Vorsteuerung 7 werden ausgehend von zumindest dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel 41, dem ausgehend von den erfassten Istphasenströmen lu, Iv, Iw geschätzten und/oder mittels der weiteren Sensorik 6 erfassten antriebsseitigen Lagewinkel 42 und einer Istdrehzahl des elektrischen Antriebs 30 Vorsteuerspannungen 9 bestimmt. Die mittels der Stromregelung 11 gestellten Phasenspannungen werden zum Vorgeben von Sollphasenspannungen 9 für den Antriebsstromrichter 20 mit den Vorsteuerspannungen 9 beaufschlagt.The control device 3 also provides a pilot control 7 . Pilot control 7 is used to determine pilot control voltages 9 based on at least detected transmission-side position angle 41, estimated drive-side position angle 42 based on detected actual phase currents lu, Iv, Iw and/or detected using additional sensors 6, and an actual speed of electric drive 30. The phase voltages set by means of the current controller 11 are acted upon by the pilot control voltages 9 in order to specify setpoint phase voltages 9 for the drive converter 20 .

Es ist insbesondere vorgesehen, dass nach Unterschreiten einer vorgegebenen Lagewinkeldifferenz ein Einkuppeln der Klauenkupplung 40 durchgeführt wird. Nach Unterschreiten der vorgegebenen Lagewinkeldifferenz kann die Steuereinrichtung hierzu beispielsweise ein entsprechendes Steuersignal erzeugen und einem Steuergerät der Klauenkupplung 40 zuführen, welche dann das Einkuppeln bzw. Einspuren bewirkt.Provision is made in particular for the dog clutch 40 to be engaged after a predetermined position angle difference has been undershot. After falling below the predetermined position angle difference, the control device can generate a corresponding control signal for this purpose, for example, and feed it to a control device of the dog clutch 40, which then causes the coupling or meshing.

Die Regelstrecke 10 ist in einem größeren Detailierungsgrad schematisch in der 2 dargestellt. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass die Regelstrecke in diskreten Zeitschritten arbeitet, das heißt insbesondere werden die Sollgrößen (bzw. Stellgrößen) für einen Zeitschritt k ausgehend von den Istgrößen eines Zeitschritts (k-1) bestimmt. Es kann vorgesehen sein, dass auch weiter zurückliegende Zeitschritte (k-2, k-3,...) berücksichtigt werden.The controlled system 10 is shown schematically in greater detail in FIG 2 shown. It is assumed here that the controlled system works in discrete time steps, that is to say in particular the setpoint values (or manipulated values) for a time step k are determined on the basis of the actual values of a time step (k−1). It can be provided that time steps (k−2, k−3, . . . ) that are further back are also taken into account.

Die Stromregelung 11 regelt die Phasenströme der einzelnen Phasen U, V, W und stellt hierzu als Stellgrößen gestellte Phasenspannungen 19 durch entsprechendes Ansteuern einer Modulationssteuerung 21 des Antriebsstromrichters. Die Modulationssteuerung 21 erzeugt die Steuerspannungen 22 für Leistungshalbleiter des Antriebsstromrichters. Als Eingangsgröße erhält die Stromregelung 11 einen aus vorgegebenen Sollphasenströmen lu_s, lv_s, lw_s und erfassten Istphasenströmen lu, Iv, Iw berechneten Fehler.The current controller 11 regulates the phase currents of the individual phases U, V, W and, for this purpose, sets phase voltages 19 as manipulated variables by appropriately controlling a modulation controller 21 of the drive converter. The modulation control 21 generates the control voltages 22 for power semiconductors of the drive converter. The current controller 11 receives as an input variable an error calculated from predetermined setpoint phase currents lu_s, lv_s, lw_s and detected actual phase currents lu, Iv, Iw.

Der Stromregelung 11 überlagert ist die Drehzahlregelung 12, die zum Regeln einer Drehzahl als Stellgröße die Sollphasenströme lu_s, lv_s, lw_s vorgibt. Als Eingangsgröße erhält die Drehzahlregelung 12 einen aus einer Solldrehzahl n_s und einer Istdrehzahl n_i gebildeten Fehler.Superimposed on current control 11 is speed control 12, which specifies setpoint phase currents lu_s, lv_s, lw_s as a manipulated variable for controlling a speed. The speed controller 12 receives an error formed from a setpoint speed n_s and an actual speed n_i as an input variable.

Der Drehzahlregelung 12 überlagert ist die Lagewinkelregelung 13, die zum Regeln des antriebsseitigen Lagewinkels 42 als Stellgröße die Solldrehzahl n_s vorgibt. Als Eingangsgröße erhält die Lagewinkelregelung 13 einen aus dem getriebeseitigen Lagewinkel 41 und dem antriebsseitigen Lagewinkel 42 gebildeten Fehler.Superimposed on speed control 12 is position angle control 13, which specifies target speed n_s as a manipulated variable for controlling drive-side position angle 42. The position angle controller 13 receives an error formed from the position angle 41 on the transmission side and the position angle 42 on the drive side as an input variable.

Zusätzlich bestimmt die Vorsteuerung 7 Vorsteuerspannungen 8 für jede der Phasen U, V, W, mit denen die gestellten Phasenspannungen 19 beaufschlagt werden, sodass der Modulationssteuerung 21 des Antriebsstromrichters Sollphasenspannungen 9 vorgegeben werden.In addition, the pre-control 7 determines pre-control voltages 8 for each of the phases U, V, W, with which the set phase voltages 19 are applied, so that the modulation controller 21 of the drive converter is given target phase voltages 9 .

Die Vorsteuerung 7 bestimmt die Vorsteuerspannungen 8 für jeden Zeitschritt k ausgehend von zumindest dem zum Zeitpunkt (k-1) erfassten getriebeseitigen Lagewinkel 41, dem für den Zeitpunkt (k-1) geschätzten und/oder zum Zeitpunkt (k-1) erfassten antriebsseitigen Lagewinkel 42 und einer zum Zeitschritt (k-1) vorliegenden Istdrehzahl n_i des elektrischen Antriebs 30.The pilot control 7 determines the pilot control voltages 8 for each time step k based on at least the transmission-side position angle 41 detected at time (k-1), the drive-side position angle estimated for time (k-1) and/or detected at time (k-1). 42 and an actual speed n_i of the electric drive 30 present at the time step (k-1).

Es kann vorgesehen sein, dass die Vorsteuerung 7 beim Bestimmen der Vorsteuerspannungen 8 ferner die Solldrehzahl n_s, die Istphasenströme lu, Iv, Iw und/oder die vorherigen Sollphasenspannungen 9- mindestens eines vorhergehenden Zeitschritts (insbesondere k-1) berücksichtigt.It can be provided that the pre-control 7 also takes into account the setpoint speed n_s, the actual phase currents Iu, Iv, Iw and/or the previous setpoint phase voltages 9- of at least one previous time step (in particular k-1) when determining the pre-control voltages 8.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Vorsteuerung 7 mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes 5 (vgl. auch 1) bereitgestellt wird. Die Steuereinrichtung 3 weist hierzu das mindestens eine feldprogrammierbaren Gatterfeld 5 auf. Dies ermöglicht eine zeitlich hochaufgelöste und (nahezu) verzögerungsfreie Signalverarbeitung beim Bereitstellen der Vorsteuerung 7.In particular, it is provided that the pilot control 7 is activated by means of at least one field-programmable gate array 5 (cf. also 1 ) provided. For this purpose, the control device 3 has the at least one field-programmable gate array 5 . This enables signal processing with high temporal resolution and (almost) delay-free when providing the pre-control 7.

Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld 5 zum Anpassen eines Vorsteuerverhaltens der Vorsteuerung 7 zumindest teilweise umkonfiguriert wird.In a further development, it can be provided that the at least one field-programmable gate array 5 is at least partially reconfigured to adapt a pre-control behavior of the pre-control 7 .

Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Schwingung in dem getriebeseitigen Lagewinkel 41 erkannt wird, wobei eine der mindestens einen erkannten Schwingung entsprechende Schwingung für den antriebsseitigen Lagewinkel 41 mittels der Vorsteuerung 7 erzeugt wird. Hierzu kann die Vorsteuerung 7 beispielsweise Filter aufweisen, mit denen gezielt Schwingungen vorgegebener Frequenzen erkannt werden können.Provision can be made for at least one vibration to be detected in position angle 41 on the transmission side, with a vibration corresponding to the at least one detected vibration being generated for position angle 41 on the drive side by means of pilot control 7 . For this purpose, the pilot control 7 can have filters, for example, with which oscillations of predetermined frequencies can be specifically detected.

Es kann vorgesehen sein, dass die Vorsteuerung 7 mittels eines Maschinenlernverfahrens 16 bereitgestellt wird. Beispielsweise kann das Maschinenlernverfahren 16 mittels eines trainierten Neuronales Netzes 17, insbesondere mittels eines tiefen Neuronalen Netzes, beispielsweise mittels eines Faltungsnetzes, bereitgestellt werden. Hierbei können die voranstehend beschriebenen Größen beim Schätzen bzw. Bestimmen der Vorsteuerspannungen 8 berücksichtigt werden.Provision can be made for the pilot control 7 to be provided by means of a machine learning method 16 . For example, the machine learning method 16 can be provided by means of a trained neural network 17, in particular by means of a deep neural network, for example by means of a convolution network. In this case, the variables described above can be taken into account when estimating or determining the pilot control voltages 8 .

Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass das Maschinenlernverfahren 16 mittels mindestens eines Harmonisch Aktivierten Neuronalen Netzes 18 bereitgestellt wird und/oder mindestens ein Harmonisch Aktiviertes Neuronales Netz 18 umfasst. Dieses kann besonders gut zum Erkennen von Schwingungen verwendet werden.In a further development, it can be provided that the machine learning method 16 is provided by means of at least one harmonically activated neural network 18 and/or comprises at least one harmonically activated neural network 18 . This can be used particularly well to detect vibrations.

Es kann vorgesehen sein, dass ein erfolgloses Einkuppeln erfasst wird, wobei nach einem Erfassen eines erfolglosen Einkuppelns mindestens ein Parameter in der Vorsteuerung 7 verändert wird. Zum Verändern des mindestens einen Parameters können auch Optimierungsverfahren zum Einsatz kommen. Beispielsweise können erfolglose Einkuppelereignisse zusammen mit Zustandsdaten des elektrischen Antriebs 30 und der Klauenkupplung 40 gesammelt und ausgewertet werden. Ausgehend von einem Auswertungsergebnis wird der mindestens eine Parameter verändert. Beispielsweise kann eine Eckfrequenz eines Filters zum Erkennen von Schwingungen in dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel 41 verändert werden, nachdem sich beispielsweise aufgrund einer Alterung eine Frequenz einer im Getriebe und im getriebeseitigen Lagewinkel auftretenden Schwingung verschoben hat.Provision can be made for an unsuccessful engagement to be detected, with at least one parameter in the pilot control 7 being changed after an unsuccessful engagement being detected. Optimization methods can also be used to change the at least one parameter. For example, unsuccessful engagement events can be collected and evaluated together with status data of the electric drive 30 and the dog clutch 40 . The at least one parameter is changed based on an evaluation result. For example, a corner frequency of a filter for detecting vibrations in the detected position angle 41 on the transmission side can be changed after a frequency of a vibration occurring in the transmission and in the position angle on the transmission side has shifted, for example due to aging.

BezugszeichenlisteReference List

11
Vorrichtungcontraption
22
Sensoriksensors
33
Steuereinrichtungcontrol device
44
Recheneinrichtungcomputing device
55
feldprogrammierbares Gatterfeldfield-programmable gate array
66
weitere Sensorikfurther sensors
77
Vorsteuerungpre-control
88th
Vorsteuerspannungenpilot voltages
99
Sollphasenspannungentarget phase voltages
9-9-
vorherige Sollphasenspannung (k-1)previous target phase voltage (k-1)
1010
Regelstreckecontrolled system
1111
Stromregelungcurrent control
1212
Drehzahlregelungspeed control
1313
Lagewinkelregelungattitude angle control
14u14u
Stromsensorcurrent sensor
14v14v
Stromsensorcurrent sensor
14w14w
Stromsensorcurrent sensor
1515
Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
1616
Maschinenlernverfahrenmachine learning process
1717
Neuronales Netzneural network
1818
Harmonisch Aktiviertes NeuronalesHarmonically Activated Neural
Netznetwork
(HAMM)(HAMM)
1919
gestellte Phasenspannungenset phase voltages
2020
Antriebsstromrichterdrive converter
2121
Modulationssteuerungmodulation control
2222
Steuerspannungen für LeistungshalbleiterControl voltages for power semiconductors
2323
Zwischenkreisspannungintermediate circuit voltage
3030
elektrischer Antriebelectric drive
4040
Klauenkupplungclaw clutch
4141
getriebeseitiger Lagewinkelgear side position angle
4242
antriebsseitiger Lagewinkeldrive-side position angle
5050
Getriebetransmission
Uu
Phasephase
VV
Phasephase
WW
Phasephase
lulu
Istphasenstromactual phase current
IvIV
Istphasenstromactual phase current
IwIw
Istphasenstromactual phase current
lu_slu_s
Sollphasenstromtarget phase current
lv_slv_s
Sollphasenstromtarget phase current
lw_slw_s
Sollphasenstromtarget phase current
n_in_i
Istdrehzahlactual speed
n_sn_s
Solldrehzahltarget speed
kk
Zeitschritttime step

Claims (10)

Verfahren zum Synchronisieren einer Klauenkupplung (40) zwischen einem elektrischen Antrieb (30) und einem Getriebe (50), wobei der elektrische Antrieb (30) mittels eines Antriebsstromrichters (20) gespeist wird, wobei ein getriebeseitiger Lagewinkel (41) der Klauenkupplung (40) mittels einer Sensorik (2) erfasst wird, wobei ein antriebsseitiger Lagewinkel (42) der Klauenkupplung (40) ausgehend von erfassten Istphasenströmen (lu,lv,lw) geschätzt und/oder mittels einer weiteren Sensorik (6) erfasst wird, wobei ein Ansteuern des Antriebsstromrichters (20) mittels einer Phasenspannungen (19) stellenden Stromregelung (11) erfolgt, wobei zusätzlich zur Stromregelung (11) eine Vorsteuerung (7) verwendet wird, wobei mittels der Vorsteuerung (7) ausgehend von zumindest dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel (41), dem geschätzten und/oder erfassten antriebsseitigen Lagewinkel (42) und einer Istdrehzahl (n_i) des elektrischen Antriebs (20) Vorsteuerspannungen (8) bestimmt werden, mit denen die gestellten Phasenspannungen (19) zum Vorgeben von Sollphasenspannungen (9) für den Antriebsstromrichter (20) beaufschlagt werden.Method for synchronizing a claw clutch (40) between an electric drive (30) and a transmission (50), the electric drive (30) being fed by means of a drive converter (20), a transmission-side position angle (41) of the dog clutch (40) being detected by means of a sensor system (2), wherein a drive-side position angle (42) of the dog clutch (40) is estimated based on detected actual phase currents (lu, lv, lw) and/or is detected by means of a further sensor system (6), the drive converter (20) being controlled by means of a current controller (11) that sets phase voltages (19), a pilot control (7) being used in addition to the current control (11), whereby pilot control voltages (8) are determined by means of the pilot control (7), based on at least the detected transmission-side position angle (41), the estimated and/or detected drive-side position angle (42) and an actual speed (n_i) of the electric drive (20), with which the set phase voltages (19) are applied to specify setpoint phase voltages (9) for the drive converter (20). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung (7) mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes (5) bereitgestellt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the pilot control (7) is provided by means of at least one field-programmable gate array (5). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld (5) zum Anpassen eines Vorsteuerverhaltens der Vorsteuerung (7) zumindest teilweise umkonfiguriert wird.procedure after claim 2 , characterized in that the at least one field-programmable gate array (5) is at least partially reconfigured to adapt a pre-control behavior of the pre-control (7). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schwingung in dem getriebeseitigen Lagewinkel (41) erkannt wird, wobei eine der mindestens einen erkannten Schwingung entsprechende Schwingung für den antriebsseitigen Lagewinkel (42) mittels der Vorsteuerung (7) erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one vibration in the position angle (41) on the transmission side is detected, with a vibration corresponding to the at least one detected vibration being generated for the position angle (42) on the drive side by means of the pilot control (7). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung (7) mittels eines Maschinenlernverfahrens (16) bereitgestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pilot control (7) is provided by means of a machine learning method (16). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenlernverfahren (16) mittels mindestens eines Harmonisch Aktivierten Neuronalen Netzes (18) bereitgestellt wird und/oder mindestens ein Harmonisch Aktiviertes Neuronales Netz (18) umfasst.procedure after claim 5 , characterized in that the machine learning method (16) is provided by means of at least one harmonically activated neural network (18) and/or comprises at least one harmonically activated neural network (18). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Unterschreiten einer vorgegebenen Lagewinkeldifferenz ein Einkuppeln der Klauenkupplung (40) durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the dog clutch (40) is engaged after the position angle difference has fallen below a predetermined value. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erfolgloses Einkuppeln erfasst wird, wobei nach einem Erfassen eines erfolglosen Einkuppelns mindestens ein Parameter in der Vorsteuerung (7) verändert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that unsuccessful clutch engagement is detected, at least one parameter in the pilot control (7) being changed after unsuccessful clutch engagement has been detected. Vorrichtung (1) zum Synchronisieren einer Klauenkupplung (40) zwischen einem elektrischen Antrieb (30) und einem Getriebe (50), wobei der elektrische Antrieb (30) mittels eines Antriebsstromrichters (20) gespeist wird, umfassend: eine Sensorik (2), eingerichtet zum Erfassen eines getriebeseitigen Lagewinkels (41) der Klauenkupplung (40), und eine Steuereinrichtung (3), wobei die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, zum Ansteuern des Antriebsstromrichters (20) eine Phasenspannungen (19) stellende Stromregelung (11) bereitzustellen, und zusätzlich zur Stromregelung (11) eine Vorsteuerung (7) bereitzustellen, mittels der Vorsteuerung (7) ausgehend von zumindest dem erfassten getriebeseitigen Lagewinkel (41), einem ausgehend von erfassten Istphasenströmen (lu,lv,lw) geschätzten und/oder mittels einer weiteren Sensorik (6) erfassten antriebsseitigen Lagewinkel (42) und einer Istdrehzahl (n_i) des elektrischen Antriebs (30) Vorsteuerspannungen (8) zu bestimmen, und die gestellten Phasenspannungen (19) zum Vorgeben von Sollphasenspannungen (9) für den Antriebsstromrichter (20) mit den Vorsteuerspannungen (8) zu beaufschlagen.Device (1) for synchronizing a dog clutch (40) between an electric drive (30) and a transmission (50), the electric drive (30) being fed by means of a drive converter (20), comprising: a sensor system (2) set up to detect a transmission-side position angle (41) of the dog clutch (40), and a control device (3), wherein the control device (3) is set up to provide a current control (11) that sets phase voltages (19) for driving the drive converter (20), and in addition to the current control (11), to provide a pilot control (7), by means of the pilot control (7) based on at least the detected transmission-side position angle (41), an estimated based on the detected actual phase currents (lu, lv, lw) and/or by means of an additional sensor system (6) detected drive-side position angle (42) and an actual speed (n_i) of the electric drive (30) to determine pilot voltages (8), and the set phase voltages (19) for specifying target phase voltages (9) for the drive converter (20) with the Apply pre-control voltages (8). Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung (7) mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld (5) aufweist.Device (1) after claim 9 , characterized in that the pilot control (7) has at least one field-programmable gate array (5).
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