EP3521598B1 - Verfahren zur bestimmung der position eines stellglieds sowie stellgliedbaugruppe - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der position eines stellglieds sowie stellgliedbaugruppe Download PDF

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EP3521598B1
EP3521598B1 EP19152966.8A EP19152966A EP3521598B1 EP 3521598 B1 EP3521598 B1 EP 3521598B1 EP 19152966 A EP19152966 A EP 19152966A EP 3521598 B1 EP3521598 B1 EP 3521598B1
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EP
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actuator
control unit
commutation
motor
completed
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Stefan Gruber
Christian Schardax
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • F02B37/186—Arrangements of actuators or linkage for bypass valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D2041/0015—Controlling intake air for engines with means for controlling swirl or tumble flow, e.g. by using swirl valves
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    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2058—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using information of the actual current value
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/16—End position calibration, i.e. calculation or measurement of actuator end positions, e.g. for throttle or its driving actuator

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position of an actuator of an internal combustion engine, in particular a control flap, a swirl flap or a valve.
  • the invention also relates to an actuator assembly for an internal combustion engine with an actuator, a DC motor and a control unit.
  • actuators In modern internal combustion engines, a large number of regulated or controlled actuators are used which have to be brought into certain positions between two end positions for optimal operation of the internal combustion engine.
  • Such actuators are, for example, flaps or valves.
  • position sensors such as Hall sensors
  • position sensors lead to increased costs of the actuator, both in terms of material and assembly costs.
  • position sensors limit the temperature range and the vibration resistance of the actuator.
  • the EP 2 561 608 A2 a method for determining the actuating position of an actuating element by measuring the course of the armature current over time and counting the commutation artifacts contained therein.
  • the WO 2010/105 795 A2 a method for correcting counting errors when evaluating commutation artifacts in a DC motor.
  • the gear drive unit has a DC motor and a controller and the controller recognizes the stop of the motor based on the commutation artifacts.
  • EP 1 903 668 A2 a direct current motor, a control unit and a commutation artifact detector unit.
  • the position of the armature of the DC motor is determined by counting the commutation artifacts.
  • the gear drive unit has a DC motor that drives a drive element.
  • a sensor element is provided which determines the position of the drive element.
  • the EP 1 679 777 A1 further discloses an apparatus for defect detection of a DC motor.
  • the device compares the commutation artifacts to be expected per unit of time with the measured commutation artifacts per unit of time.
  • control system comprising a motor, an ammeter and a control unit.
  • the control unit corrects the number of measured commutation artifacts based on the time interval between the commutation artifacts.
  • the WO 2007/017 483 A1 an electrical circuit for controlling a DC motor, the commutation artifacts of which are measured in the current curve via an H-bridge circuit and a shunt.
  • the WO 2010/028736 A2 a method and an apparatus for processing an armature current signal.
  • the armature current signal is filtered based on the mutual induction voltage of the DC motor.
  • the object is achieved by a method for determining the position of an actuator of an internal combustion engine according to claim 1.
  • a current measurement is usually carried out for other purposes in the case of direct current motors or their drivers, or it can be implemented without complex and sensitive sensors such as a shunt.
  • the invention is based on the idea that the position can be determined with sufficient accuracy from the number of commutations.
  • the accuracy of a position determination based on the commutation artifact is less than with special position sensors, but it was recognized that the accuracy that can be achieved by means of commutation artifacts is sufficient for many applications in the internal combustion engine.
  • the control unit determines the position of the actuator using the number of commutation artifacts relative to an end position of the actuator.
  • the control unit recognizes when the actuator has reached the end position, then determines the position of the actuator as the end position independently of the number of commutation artifacts and, when the end position is reached, checks whether the number of commutation artifacts is above a predetermined minimum number and / or within a predetermined range lies. If an end position is reached, the control unit interprets the current position as the end position. Thus, every time the actuator has reached one of its end positions, the measurement method is calibrated. In addition, the number of commutation artifacts of the completed revolutions and / or the angle of rotation is set to zero when an end position is reached.
  • commutation artifacts are understood to mean fluctuations in the current curve that are generated by the mechanical commutation of the direct current motor. These commutation artifacts are also called "ripples”.
  • the control unit preferably determines the direction of rotation of the direct current motor, in particular on the basis of the polarity of the current, and uses the direction of rotation to determine the position of the actuator.
  • the number of commutation artifacts when the DC motor rotates in the positive direction of rotation is increased by one with every further recognized commutation artifact and, when rotated in the negative direction of rotation, is reduced by one with every further recognized commutation artifact.
  • control unit determines the number of revolutions completed by the direct current motor and / or the completed angle of rotation of the direct current motor based on the number of commutation artifacts and uses the number of revolutions completed by the direct current motor and / or the completed angle of rotation to determine the position of the actuator. A simple and reliable determination of the position is possible in this way.
  • a gear is provided between the DC motor and the actuator, information about the gear ratio being stored in the control unit, the control unit determining the position of the actuator as a function of the gear ratio and the number of revolutions and / or the angle of rotation of the DC motor is determined. This allows the position of the actuator to be determined even when using gears.
  • the gearbox is self-locking to avoid measurement errors due to unintentional movements of the actuator.
  • a table of values is stored in the control unit which specifies the position of the actuator as a function of the number of commutation artifacts, the number of revolutions completed, the angle of rotation completed and / or the transmission ratio. In this way the process can be accelerated.
  • the current profile is measured by the control unit, a driver of the direct current motor or a shunt with a voltmeter, which enables the current profile to be determined precisely.
  • an actuator assembly for an internal combustion engine with an actuator, a DC motor and a control unit which is set up to carry out the method according to the invention.
  • control unit is part of a driver and / or an H-bridge for the direct current motor, which can further reduce costs.
  • the driver and / or the H-bridge is in particular part of the actuator assembly.
  • the actuator is a control flap for a turbocharger unit of the internal combustion engine, a swirl flap for an intake system of the internal combustion engine or a valve, in particular a multi-way valve for an engine cooling circuit of the internal combustion engine.
  • control flap is used to switch between two turbochargers of a turbocharger unit and the swirl flap is used to change the swirl with which the fuel or the fuel-air mixture is introduced into the cylinder.
  • the actuator assembly can have a gear with a predetermined translation, the gear being in particular self-locking.
  • FIG. 1 an internal combustion engine 10 with a turbocharger unit 12, for example a bi-turbocharger, an intake system 14, an engine block 16 of an exhaust system 18 and an engine cooling circuit 20 is shown.
  • a turbocharger unit 12 for example a bi-turbocharger
  • an intake system 14 for example a bi-turbocharger
  • an engine block 16 of an exhaust system 18 for example a bi-turbocharger
  • the turbocharger unit 12, the intake system 14 and the engine cooling circuit 20 each have at least one actuator assembly 22, each of which has an actuator 24 ( Figure 2 ) include.
  • the actuator 24 of the actuator assembly 22 of the turbocharger unit 12 is a regulating flap that can supply the air or exhaust gas flow between two different turbochargers to the turbocharger unit 12.
  • an actuator assembly 22 with four swirl flaps is provided as actuators 24.
  • the swirl flaps can change the direction of flow of a fuel-air mixture into the cylinder of the engine block and thus the swirl that forms in the corresponding cylinder.
  • the four swirl flaps are connected to the direct current motor 26 via a rod 21 and operated.
  • the actuator 24 of the actuator assembly 22 of the engine cooling circuit 20 is a valve, in particular a multi-way valve, which controls the flow of coolant into various branches of the engine cooling circuit 20.
  • actuators can also be designed as part of an actuator assembly 22 according to the invention.
  • the use cases described are only to be understood as examples.
  • the actuator assembly 22 has a direct current motor 26 and a transmission 28 as well as a control unit 30 and a driver 32.
  • the direct current motor 26, more precisely the output shaft of the direct current motor 26, is connected to the actuator 24 for torque transmission via the transmission 28.
  • the gear 28 has a known translation and is, for example, a worm gear.
  • the transmission 28 is in particular self-locking so that its position can only be changed by the direct current motor 26.
  • the direct current motor 26 is connected via two power lines 34 to the driver 32, which can supply current to the direct current motor 26.
  • the driver 32 can have an H-bridge 33.
  • the driver 32 is electrically connected to the control unit 30 so that the control unit 30 can control the driver 32.
  • control unit 30 can also be integrated in the driver 32.
  • control unit 30 instructs the driver 32 to energize the DC motor 26, i. H. To supply electricity.
  • the direct current motor 26 converts the electrical energy supplied to it into a torque or a rotation of its output shaft.
  • the torque is translated by the transmission 28 and fed to the actuator 24, whereby the actuator 24 is actuated.
  • the multi-way valve in the engine cooling circuit 20 is opened in this way and the control flap of the turbocharger unit 12 or a swirl flap of the intake system 14 is moved.
  • the actuator 24 can be moved by the direct current motor 26 between two end positions.
  • the direction of movement of the actuator 24 depends on the direction of rotation of the direct current motor 26. More precisely, the direction of rotation of the actuator 24 depends on the direction of rotation of the output shaft of the direct current motor 26. In the following, however, only the direct current motor 26 is referred to for the sake of simplicity.
  • the direct current motor 26 or its output shaft is rotated in a positive or negative direction of rotation, whereby the actuator 24 is adjusted in a positive or negative direction.
  • the distance covered by the actuator 24 depends on the number of revolutions of the direct current motor 26 and the translation of the gearbox 28, so that the position of the actuator 24 is determined based on the number of revolutions that the direct current motor 26 has completed and the translation of the gearbox 28 can be.
  • control unit 30 determines the current curve 38 of the current that was supplied to the direct current motor 26 by the driver 32.
  • the measurement of the current can take place by the driver 32 itself, for example the driver 32 itself determines the so-called current mirror anyway.
  • the measurement can also take place in the H-bridge 33.
  • the current can be measured more precisely by means of the shunt 36, the current measurement then being carried out by the control unit 30 itself.
  • the actuator 24 is moved from its first end position E 1 to its second end position E 2 .
  • the commutation artifacts 42 arise during the commutation of the direct current motor 26 in that the direct current supplied to the direct current motor 26 is converted into an alternating current by a mechanical inverter.
  • the control unit 30 detects the commutation artifacts 42 in the measured current curve 38 and counts the number of commutation artifacts 42 that occur.
  • control unit 30 has information about the polarity of the current supplied to the direct current motor 26, for example about the sign of the current or information from the driver 32.
  • control unit 30 increases the number of detected commutation artifacts 42 by one for each commutation artifact 42 detected. Likewise, the control unit 30 reduces the number of commutation artifacts 42 by one if the current supplied to the direct current motor 26 leads to a rotation in the negative direction of rotation and a further commutation artifact 42 was detected.
  • control unit 30 can then infer the angle of rotation and the number of rotations completed by the direct current motor 26.
  • control unit 30 divides the number of commutation artifacts 42 by two and thereby receives the number of completely completed revolutions.
  • the direct current motor 26 If the number of commutation artifacts 42 is odd, this means that the direct current motor 26 also has an angle of rotation of over 180 °. If the number of commutation artifacts 42 is even, the angle of rotation of the direct current motor 26 is less than 180 °.
  • the number of commutation artifacts 42 and thus the number of completed revolutions of the direct current motor 26 including the angular position is counted on the basis of one of the end positions E 1 or E 2 .
  • the control unit 30 can therefore use the number of completed revolutions of the direct current motor and the current angular position of the direct current motor 26 to determine the path covered by the actuator 24 from the end position. For this purpose, the control unit 30 uses the information about the translation of the transmission 28, which is stored in a memory of the control unit 30.
  • information on the type of actuator 24 is stored in the control unit 30, for example information on the range of motion of the actuator 24.
  • one complete revolution of the direct current motor 26 corresponds to a rotation of the control flap of the turbocharger unit 12 by 0.5 °.
  • the control unit 30 can thus determine that the regulating flap, that is to say the actuator 24, has been rotated by 9 ° when the DC motor 26 has completed 18 revolutions.
  • control unit 30 can have information about the range of motion of the actuator, that is to say of the regulating flap.
  • the range of motion of the regulating flap is 45 °, so that 18 completed revolutions of the direct current motor 26 correspond to a regulating flap opened by 20%.
  • control unit 30 correspondingly reduces the number of commutation artifacts 42 and thus the number of rotations completed.
  • the position of the actuator 24 relative to one of its end positions can be determined without further sensors, such as a position sensor for the actuator 24.
  • the control unit 30 can use data from the driver 32 or the current curve 38 to determine when the actuator 24 reaches one of its end positions E 1 , E 2 . As in Figure 3 To see, the current increases sharply as soon as the end position E 2 of the actuator 24 is reached. This increase is recognized by the driver 32 or the control unit 30 as reaching the end position E 2 .
  • control unit 30 determines that the actuator 24 has reached one of its end positions E 1 , E 2 , it sets the position of the actuator 24 determined by it to the corresponding end position E 1 , E 2 , regardless of whether the number of Commutation artifacts 42 determined position of the actuator 24 agrees with it or not.
  • the control unit 30 Before resetting the number of commutation artifacts 42 or when reaching the end position E 1 , E 2 , the control unit 30 compares the number of commutation artifacts 42 with a predetermined minimum number and / or a predetermined range that is stored in a memory of the control unit 30 is.
  • the predetermined minimum number and / or the predetermined range are calculated or empirically determined values for the number of commutation artifacts 42 that at least occur when the actuator 24 is actuated from one of the end positions E 1 , E 2 to the other in error-free operation or between which the Number with a high probability.
  • control unit 30 concludes that there is a problem with the actuator assembly 22 and generates an error message, for example.
  • control unit 30 counts the number of commutation artifacts 42 from zero, whereby an exact determination of the position is always achieved.
  • control unit 30 which shows the position of the actuator 24 directly with the number of the commutation artifacts 42, without the control unit 30 having to make calculations on the number of revolutions completed by the direct current motor 26 or the translation of the gearbox 28.
  • the table of values can also indicate the position of the actuator 24 as a function of the number of revolutions completed by the direct current motor 26 or the angle of rotation completed.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Stellglieds eines Verbrennungsmotors, insbesondere einer Regelklappe, einer Drallklappe oder eines Ventils. Die Erfindung betrifft außerdem eine Stellgliedbaugruppe für einen Verbrennungsmotor mit einem Stellglied, einem Gleichstrommotor und einer Steuereinheit.
  • In modernen Verbrennungsmotoren kommen eine Vielzahl an geregelten oder gesteuerten Stellgliedern zum Einsatz, die für einen optimalen Betrieb des Verbrennungsmotors in bestimmte Positionen zwischen zwei Endlagen gebracht werden müssen. Solche Stellglieder sind beispielsweise Klappen oder Ventile.
  • Es ist daher notwendig, die Position des Stellglieds zu erfassen, wobei zur Erfassung der Position üblicherweise spezielle Positionssensoren, wie Hallsensoren, am Stellglied vorgesehen sind. Diese Positionssensoren führen zu erhöhten Kosten des Stellglieds, sowohl durch Material- als auch durch Montagekosten. Außerdem schränken die Positionssensoren den Temperaturbereich und die Vibrationsfestigkeit des Stellgliedes ein.
  • Aus der US 5 132 602 A ist ein Aktuator mit einem Gleichstrommotor, der einen Hebel betätigt, einer Steuereinheit und einem Kommutierungszähler bekannt. Der Kommentierungszähler ist über einen Transformator mit einer elektrischen Leitung des Gleichstrommotors verbunden und misst die Änderung des magnetischen Flusses in der elektrischen Leitung, aus der die Kommutierungsartefakte abgeleitet werden.
  • Ferner zeigt die EP 2 561 608 A2 ein Verfahren zur Bestimmung der Stellposition eines Stellelements durch die Messung des zeitlichen Verlaufs des Ankerstroms und der Auszählung der darin enthaltenen Kommutierungsartefakte.
  • Des Weiteren offenbart die WO 2010/105 795 A2 ein Verfahren zur Korrektur von Zählfehlern bei der Auswertung von Kommutierungsartefakten in einem Gleichstrommotor.
  • Außerdem ist aus der DE 10 2008 002 724 A1 ein Verfahren zur Erkennung des Drehwinkels und der Reversierposition einer Getriebe-Antriebseinheit eines Scheibenwischers bekannt. Die Getriebe-Antriebseinheit weist einen Gleichstrommotor und eine Steuerung auf und die Steuerung erkennt den Anschlag des Motors anhand der Kommutierungsartefakte.
  • Weiterhin zeigt die EP 1 903 668 A2 einen Gleichstrommotor, eine Ansteuereinheit und eine Kommutierungsartefakte-Detektoreinheit. Mithilfe der Kommutierungsartefakte-Detektoreinheit wird die Stellung des Ankers des Gleichstrommotors durch das Zählen der Kommutierungsartefakte bestimmt.
  • Aus der EP 1 381 148 A2 ist außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl und des Drehwinkels einer Getriebe-Antriebseinheit bekannt. Die Getriebe-Antriebseinheit weist einen Gleichstrommotor auf, der ein Antriebselement antreibt. Es ist ein Sensorelement vorgesehen, das die Stellung des Antriebselements bestimmt.
  • Die EP 1 679 777 A1 offenbart ferner eine Vorrichtung zur Defekterkennung eines Gleichstrommotors. Die Vorrichtung vergleicht zum Erkennen eines Defekts die zu erwartenden Kommutierungsartefakte pro Zeiteinheit mit den gemessenen Kommutierungsartefakten pro Zeiteinheit.
  • Aus der EP 0 697 305 A1 ist außerdem ein Steuerungssystem bekannt, das einen Motor, ein Strommessgerät und eine Steuereinheit hat. Die Steuereinheit korrigiert die Anzahl an gemessenen Kommutierungsartefakten anhand des zeitlichen Abstands zwischen den Kommutierungsartefakten.
  • Des Weiteren zeigt die WO 2007/017 483 A1 eine elektrische Schaltung zum Ansteuern eines Gleichstrommotors, dessen Kommutierungsartefakte im Stromverlauf über eine H-Brückenschaltung und einen Shunt gemessen werden.
  • Ferner offenbart die WO 2010/028736 A2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines Ankerstromsignals. Anhand der Gegeninduktionsspannung des Gleichstrommotors wird das Ankerstromsignal gefiltert.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Stellglieds sowie eine Stellgliedbaugruppe bereitzustellen, die eine Bestimmung der Position des Stellglieds auf kostengünstige und gleichzeitig robuste Weise ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Stellglieds eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1.
  • Eine Strommessung wird üblicherweise bei Gleichstrommotoren oder ihren Treibern bereits für andere Zwecke vorgenommen oder ist ohne aufwendige und empfindliche Sensorik, wie einem Shunt, zu realisieren.
  • Die Erfindung beruht auf der Idee, dass eine Bestimmung der Position mit hinreichender Genauigkeit aus der Anzahl an Kommutierungen möglich ist. Die Genauigkeit einer Positionsermittlung anhand der Kommutierungsartefakt ist zwar geringer als bei speziellen Positionssensoren, jedoch wurde erkannt, dass die mittels Kommutierungsartefakten erzielbare Genauigkeit für viele Anwendungen im Verbrennungsmotor ausreichend ist. Um den Einfluss von Messfehlern zu verringern, bestimmt die Steuereinheit die Position des Stellgliedes unter Verwendung der Anzahl an Kommutierungsartefakten relativ zu einer Endlage des Stellgliedes. Die Steuereinheit erkennt, wenn das Stellglied die Endlage erreicht hat, bestimmt daraufhin unabhängig von der Anzahl der Kommutierungsartefakte die Position des Stellglieds als die Endlage und überprüft beim Erreichen der Endlage, ob die Anzahl der Kommutierungsartefakte oberhalb einer vorbestimmten Mindestanzahl und/oder innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Ist eine Endlage erreicht, interpretiert die Steuereinheit die aktuelle Position als Endlage. Somit erfolgt jedes Mal, wenn das Stellglied eine seiner Endlagen erreicht hat eine Kalibrierung des Messverfahrens. Außerdem wird die Anzahl der Kommutierungsartefakte der absolvierten Umdrehungen und/oder des Drehwinkels auf Null gesetzt werden, wenn eine Endlage erreicht wird.
  • Unter Kommutierungsartefakten werden im Rahmen dieser Erfindung Ausschläge im Stromverlauf verstanden, die durch die mechanische Kommutierung des Gleichstrommotors erzeugt werden. Diese Kommutierungsartefakte werde auch "Ripples" genannt.
  • Vorzugsweise bestimmt die Steuereinheit die Drehrichtung des Gleichstrommotors, insbesondere anhand der Polarität des Stromes, und zieht die Drehrichtung zur Bestimmung der Position des Stellgliedes heran.
  • Zum Beispiels wird die Anzahl an Kommutierungsartefakten bei Drehung des Gleichstrommotors in positive Drehrichtung mit jedem weiteren erkannten Kommutierungsartefakt um eins erhöht und bei Drehung in negative Drehrichtung mit jedem weiteren erkannten Kommutierungsartefakt um eins verringert.
  • In einer Ausgestaltung bestimmt die Steuereinheit die Anzahl der vom Gleichstrommotor absolvierten Umdrehungen und/oder den absolvierten Drehwinkel des Gleichstrommotors anhand der Anzahl der Kommutierungsartefakte und verwendet die die Anzahl der vom Gleichstrommotor absolvierten Umdrehungen und/oder den absolvierten Drehwinkel zur Bestimmung der Position des Stellglieds. Auf diese Weise ist eine einfache und zuverlässige Bestimmung der Position möglich.
  • In einer Ausführungsform ist ein Getriebe zwischen dem Gleichstrommotor und dem Stellglied vorgesehen, wobei in der Steuereinheit Informationen über die Übersetzung des Getriebes hinterlegt sind, wobei die Steuereinheit die Position des Stellglieds in Abhängigkeit der Übersetzung des Getriebes sowie den absolvierten Umdrehungen und/oder dem absolvierten Drehwinkel des Gleichstrommotors bestimmt. Dadurch lässt sich die Position des Stellglieds auch bei der Verwendung von Getrieben bestimmten.
  • Zum Beispiel ist das Getriebe selbstsperrend, um Messfehler durch unbeabsichtigte Bewegungen des Stellglieds zu vermeiden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in der Steuereinheit eine Wertetabelle hinterlegt, die die Position des Stellglieds in Abhängigkeit der Anzahl an Kommutierungsartefakten, der Anzahl an absolvierten Umdrehungen, des absolvierten Drehwinkels und/oder der Übersetzung des Getriebes angibt. Auf diese Weise lässt sich das Verfahren beschleunigen.
  • Beispielsweise wird der Stromverlauf durch die Steuereinheit, einen Treiber des Gleichstrommotors oder einen Shunt mit Spannungsmesser gemessen, wodurch eine genaue Bestimmung des Stromverlaufs möglich ist.
  • Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Stellgliedbaugruppe für einen Verbrennungsmotor mit einem Stellglied, einem Gleichstrommotor und einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
  • Beispielsweise ist die Steuereinheit Teil eines Treibers und/oder einer H-Brücke für den Gleichstrommotor, wodurch die Kosten weiter reduziert werden können. Der Treiber und/oder die H-Brücke ist insbesondere Teil der Stellgliedbaugruppe.
  • In einer Ausführungsvariante ist das Stellglied eine Regelklappe für eine Turboladereinheit des Verbrennungsmotors, eine Drallklappe für eine Sauganlage des Verbrennungsmotors oder ein Ventil, insbesondere ein Mehrwegeventil für einen Motorkühlkreislauf des Verbrennungsmotors. Dadurch können Stellglieder, bei denen eine exakte Kenntnis der Position nicht zu einer Verbesserung des Verbrennungsmotors führen würde, kostengünstig realisiert werden.
  • Zum Beispiel dient die Regelklappe zur Umschaltung zwischen zwei Turboladern einer Turboladereinheit und die Drallklappe dient zur Veränderung des Dralls, mit dem der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder einbracht wird.
  • Zur Bereitstellung einer Übersetzung kann die Stellgliedbaugruppe ein Getriebe mit einer vorbestimmten Übersetzung aufweisen, wobei das Getriebe insbesondere selbstsperrend ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
    • Figur 1 einen Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Stellgliedbaugruppe,
    • Figur 2 eine erfindungsgemäße Stellgliedbaugruppe,
    • Figur 3 eine Darstellung eines gemessenen Stromverlaufs während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
    • Figur 4 eine Vergrößerung eines Ausschnittes aus dem Stromverlauf gemäß Figur 3.
  • In Figur 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 mit einer Turboladereinheit 12, beispielsweise einem Bi-Turbolader, einer Sauganlage 14, einem Motorblock 16 einer Abgasanlage 18 sowie einem Motorkühlkreislauf 20 gezeigt.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Turboladereinheit 12, die Sauganlage 14 und der Motorkühlkreislauf 20 jeweils wenigstens eine Stellgliedbaugruppe 22 auf, die jeweils ein Stellglied 24 (Figur 2) umfassen.
  • Das Stellglied 24 der Stellgliedbaugruppe 22 der Turboladereinheit 12 ist eine Regelklappe, die den Luft- bzw. Abgasstrom zwischen zwei verschiedenen Turboladern der Turboladereinheit 12 zuführen kann.
  • In der Sauganlage 14 ist eine Stellgliedbaugruppe 22 mit vier Drallklappen als Stellglieder 24 vorgesehen. Die Drallklappen können die Einströmrichtung eines Brennstoff-Luftgemisches in die Zylinder des Motorblocks und damit den Drall, der sich im entsprechenden Zylinder ausbildet, verändern. Die vier Drallklappen werden über eine Stange 21 mit dem Gleichstrommotor 26 verbunden und betätigt.
  • Das Stellglied 24 der Stellgliedbaugruppe 22 des Motorkühlkreislaufs 20 ist ein Ventil, insbesondere ein Mehrwegventil, das den Kühlmittelfluss in verschiedene Zweige des Motorkühlkreislauf 20 kontrolliert.
  • Selbstverständlich lassen sich auch weitere Stellglieder als Teil einer erfindungsgemäßen Stellgliedbaugruppe 22 ausbilden. Die beschriebenen Anwendungsfälle sind lediglich beispielhaft zu verstehen.
  • In Figur 2 ist eine der Stellgliedbaugruppen 22 sehr schematisch dargestellt.
  • Die Stellgliedbaugruppe 22 weist neben dem Stellglied 24 einen Gleichstrommotor 26 und ein Getriebe 28 sowie eine Steuereinheit 30 und einen Treiber 32 auf. Der Gleichstrommotor 26, genauer gesagt die Ausgangswelle des Gleichstrommotors 26 ist zur Drehmomentübertragung über das Getriebe 28 mit dem Stellglied 24 verbunden.
  • Das Getriebe 28 hat eine bekannte Übersetzung und ist beispielsweise ein Schneckengetriebe.
  • Das Getriebe 28 ist insbesondere selbstsperrend, sodass seine Position nur durch den Gleichstrommotor 26 verändert werden kann.
  • Der Gleichstrommotor 26 ist über zwei Stromleitungen 34 mit dem Treiber 32 verbunden, der dem Gleichstrommotor 26 Strom zuführen kann. Der Treiber 32 kann eine H-Brücke 33 aufweisen.
  • Der Treiber 32 ist mit der Steuereinheit 30 elektrisch verbunden, sodass die Steuereinheit 30 den Treiber 32 ansteuern kann.
  • Selbstverständlich kann die Steuereinheit 30 auch im Treiber 32 integriert sein.
  • In Figur 2 ist zudem zur Strommessung durch die Stromleitungen 34 ein Shunt 36 mitsamt Spannungsmesser vorgesehen, die zusammen dargestellt sind. Der Spannungsmesser ist mit der Steuereinheit 30 elektrisch verbunden.
  • Zum Betätigen des Stellglieds 24 weist die Steuereinheit 30 den Treiber 32 an, den Gleichstrommotor 26 zu bestromen, d. h. Strom zuzuführen.
  • Der Gleichstrommotor 26 setzt die ihm zugeführte elektrische Energie in ein Drehmoment bzw. eine Rotation seiner Ausgangswelle um. Das Drehmoment wird vom Getriebe 28 übersetzt und dem Stellglied 24 zugeführt, wodurch das Stellglied 24 betätigt wird.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird auf diese Weise beispielsweise das Mehrwegventil im Motorkühlkreislauf 20 geöffnet, die Regelklappe der Turboladereinheit 12 oder eine Drallklappe der Sauganlage 14 bewegt.
  • Das Stellglied 24 kann vom Gleichstrommotor 26 zwischen zwei Endlagen bewegt werden. Die Bewegungsrichtung des Stellglieds 24 hängt dabei von der Drehrichtung des Gleichstrommotors 26 ab. Genauer gesagt hängt die Drehrichtung des Stellgliedes 24 von der Drehrichtung der Ausgangswelle des Gleichstrommotors 26 ab. Im Folgenden wird jedoch zur Vereinfachung lediglich vom Gleichstrommotor 26 gesprochen.
  • In Abhängigkeit der Polarität des dem Gleichstrommotor 26 zugeführten Stroms wird der Gleichstrommotor 26 bzw. seine Ausgangswelle in eine positive bzw. negative Drehrichtung verdreht, wodurch das Stellglied 24 in eine positive bzw. negative Richtung verstellt wird.
  • Der vom Stellglied 24 zurückgelegte Weg ist dabei abhängig von der Anzahl der Umdrehungen des Gleichstrommotors 26 und der Übersetzung des Getriebes 28, sodass die Stellung des Stellgliedes 24 anhand der Anzahl an Umdrehungen, die der Gleichstrommotor 26 absolviert hat, und der Übersetzung des Getriebes 28 bestimmt werden kann.
  • Zur Bestimmung der vom Gleichstrommotor 26 absolvierten Umdrehungen und damit der Position des Stellgliedes 24 ermittelt die Steuereinheit 30 den Stromverlauf 38 des Stroms, der dem Gleichstrommotor 26 vom Treiber 32 zugeführt wurde.
  • Die Messung des Stroms kann dabei durch den Treiber 32 selbst erfolgen, beispielsweise bestimmt der Treiber 32 ohnehin selbst den sogenannten Stromspiegel. Die Messung kann auch in der H-Brücke 33 erfolgen.
  • Eine genauere Messung des Stroms kann mittels des Shunts 36 erfolgen, wobei die Strommessung dann von der Steuereinheit 30 selbst durchgeführt wird.
  • In Figur 3 ist ein gemessener Stromverlauf 38 zusammen mit dem Verlauf 40 der Position des Stellglieds 24 dargestellt.
  • Im gezeigten Beispiel wird das Stellglied 24 von seiner ersten Endlage E1 zu seiner zweiten Endlage E2 bewegt.
  • In Figur 4 ist eine Vergrößerung eines Abschnittes des Stromverlaufs 38 dargestellt. Gut zu erkennen sind Kommutierungsartefakte 42 im Stromverlauf 38, die sehr kurze Ausschläge im Stromverlauf 38 sind. Diese Kommutierungsartefakte 42 werden auch "Ripples" genannt.
  • Die Kommutierungsartefakte 42 entstehen bei der Kommutierung des Gleichstrommotors 26 dadurch, dass der dem Gleichstrommotor 26 zugeführte Gleichstrom durch einen mechanischen Wechselrichter in einen Wechselstrom umgewandelt wird.
  • Bei der Umpolung des Wechselstroms entstehen kurzzeitige Ausschläge im zugeführten Gleichstrom, die charakteristisch und daher gut zu erkennen sind.
  • In Abhängigkeit der Bauweise des Gleichstrommotors 26 findet eine bestimmte Anzahl an Kommutierungen pro vollständiger Umdrehung des Gleichstrommotors 26 statt, sodass pro vollständiger Umdrehung des Gleichstrommotors 26 eine bestimmte Anzahl an Kommutierungsartefakten 42 erzeugt wird.
  • Im einfachsten Fall eines Gleichstrommotors 26 finden zwei Kommutationen pro vollständiger Umdrehung des Gleichstrommotors 26 statt, sodass jedes Kommutierungsartefakt 42 einer halben Umdrehung des Gleichstrommotors 26 entspricht. Zur Erläuterung wird im Folgenden beispielhaft von einem solchen Gleichstrommotor mit zwei Kommutierungen ausgegangen. Zwischen zwei Kommutierungsartefakten hat sich der Gleichstrommotor 26 um 180° weitergedreht.
  • Die Steuereinheit 30 erkennt die Kommutierungsartefakte 42 im gemessenen Stromverlauf 38 und zählt die Anzahl der auftretenden Kommutierungsartefakte 42.
  • Gleichzeitig hat die Steuereinheit 30 Informationen zur Polarität des dem Gleichstrommotor 26 zugeführten Stromes, beispielsweise über das Vorzeichen des Stroms oder durch eine Information des Treibers 32.
  • Führt der dem Gleichstrommotor 26 zugeführte Strom zu einer Drehung des Gleichstrommotors bzw. seiner Ausgangswelle in die positive Drehrichtung, erhöht die Steuereinheit 30 bei jedem erkannten Kommutierungsartefakt 42 die Anzahl der erfassten Kommutierungsartefakte 42 um eins. Gleichermaßen verringert die Steuereinheit 30 die Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 um eins, falls der dem Gleichstrommotor 26 zugeführte Strom zu einer Drehung in die negative Drehrichtung führt und ein weiteres Kommutierungsartefakt 42 erkannt wurde.
  • Aus der Anzahl an Kommutierungsartefakten 42 und der Information über den Aufbau des Gleichstrommotors 26 kann die Steuereinheit 30 dann auf den Drehwinkel und die Anzahl der absolvierten Umdrehungen des Gleichstrommotors 26 schließen.
  • Im diskutierten Fall teilt die Steuereinheit 30 die Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 durch zwei und erhält dadurch die Anzahl an vollständig absolvierten Umdrehungen.
  • Falls die Anzahl an Kommutierungsartefakten 42 ungerade ist, bedeutet dies, dass der Gleichstrommotor 26 zudem einen Drehwinkel von über 180° hat. Falls die Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 gerade ist, liegt der Drehwinkel des Gleichstrommotors 26 bei weniger als 180°.
  • Die Anzahl an Kommutierungsartefakten 42 und damit die Anzahl an absolvierten Umdrehungen des Gleichstrommotors 26 inklusive der Winkellage wird ausgehend von einer der Endlagen E1 bzw. E2 gezählt.
  • Die Steuereinheit 30 kann also anhand der Anzahl an absolvierten Umdrehungen des Gleichstrommotors und der aktuellen Winkellage des Gleichstrommotors 26 den vom Stellglied 24 zurückgelegten Weg aus der Endposition ermitteln. Hierzu verwendet die Steuereinheit 30 die Informationen über die Übersetzung des Getriebes 28, die in einem Speicher der Steuereinheit 30 hinterlegt sind.
  • Zudem sind in der Steuereinheit 30 Informationen zur Art des Stellglieds 24 hinterlegt, beispielsweise Informationen über den Bewegungsumfang des Stellglieds 24.
  • Beispielsweise entspricht aufgrund der Übersetzung des Getriebes 28 eine vollständige Umdrehung des Gleichstrommotors 26 einer Rotation der Regelklappe der Turboladereinheit 12 um 0,5°. Somit kann die Steuereinheit 30 bestimmen, dass die Regelklappe, also das Stellglied 24, um 9° gedreht wurde, wenn 18 Umdrehungen vom Gleichstrommotor 26 absolviert wurden.
  • Außerdem kann die Steuereinheit 30 Informationen über den Bewegungsumfang des Stellglieds, also der Regelklappe haben. Beispielsweise beträgt der Bewegungsumfang der Regelklappe 45°, sodass 18 absolvierte Umdrehungen des Gleichstrommotors 26 einer um 20 % geöffneten Regelklappe entsprechen.
  • Wird der Gleichstrommotor 26 in die entgegengesetzte Drehrichtung verdreht, verringert die Steuereinheit 30 die Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 und damit die Anzahl der absolvierten Umdrehungen entsprechend.
  • Auf diese Weise kann die Position des Stellgliedes 24 relativ zu einer seiner Endlagen ohne weitere Sensorik, wie einem Positionssensor für das Stellglied 24 ermittelt werden.
  • Die Steuereinheit 30 kann anhand von Daten des Treibers 32 oder des Stromverlaufs 38 bestimmen, wenn das Stellglied 24 eine seiner Endlagen E1, E2 erreicht. Wie in Figur 3 zu sehen, steigt der Strom stark an, sobald die Endlage E2 des Stellglieds 24 erreicht ist. Dieser Anstieg wird vom Treiber 32 oder der Steuereinheit 30 als Erreichen der Endlage E2 erkannt.
  • Sobald die Steuereinheit 30 ermittelt, dass das Stellglied 24 eine seiner Endlagen E1, E2 erreicht hat, setzt sie die von ihr bestimmte Position des Stellglieds 24 auf die entsprechende Endlage E1, E2, unabhängig davon, ob die mithilfe der Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 ermittelte Position des Stellglieds 24 damit übereinstimmt oder nicht.
  • Außerdem setzt sie die Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 und auch der absolvierten Umdrehungen des Gleichstrommotors 26 auf Null zurück, wodurch das Verfahren zur Positionsbestimmung kalibriert wird.
  • Vor dem Zurücksetzen der Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 bzw. beim Erreichen der Endlage E1, E2 vergleicht die Steuereinheit 30 die Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 mit einer vorbestimmten Mindestanzahl und/oder einem vorbestimmten Bereich, die bzw. der in einem Speicher der Steuereinheit 30 hinterlegt ist.
  • Die vorbestimmte Mindestanzahl und/oder der vorbestimmte Bereich sind berechnete oder empirisch ermittelte Werte für die Anzahl an Kommutierungsartefakten 42, die beim Betätigen des Stellglieds 24 von einer der Endlagen E1, E2 in die andere im fehlerfreien Betrieb wenigstens auftreten bzw. zwischen denen die Anzahl mit hoher Wahrscheinlichkeit liegt.
  • Durch den Vergleich wird geprüft, ob es plausibel ist, dass die Endlage E1, E2 erreicht wurde.
  • Liegt die Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 unterhalb der vorbestimmten Mindestanzahl und/oder außerhalb des vorbestimmten Bereiches, schließt die Steuereinheit 30 darauf, dass ein Problem mit der Stellgliedbaugruppe 22 vorliegt und erzeugt beispielsweise eine Fehlermeldung.
  • Wird das Stellglied 24 anschließend aus der Endlage E2 herausbewegt, so zählt die Steuereinheit 30 die Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 von Null weg, wodurch stets eine genaue Bestimmung der Position erreicht wird.
  • Denkbar ist selbstverständlich auch, dass in der Steuereinheit 30 eine Wertetabelle hinterlegt ist, die die Position des Stellglieds 24 direkt mit der Anzahl der Kommutierungsartefakte 42 verknüpft, ohne dass die Steuereinheit 30 Berechnungen zur Anzahl der absolvierten Umdrehungen des Gleichstrommotors 26 oder der Übersetzung des Getriebes 28 vornehmen muss.
  • Selbstverständlich kann die Wertetabelle auch die Position des Stellglieds 24 in Abhängigkeit der Anzahl der absolvierten Umdrehungen des Gleichstrommotors 26 oder des absolvierten Drehwinkels angeben.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Stellglieds (24) eines Verbrennungsmotors (10), insbesondere einer Regelklappe, einer Drallklappe oder eines Ventils, das von einem Gleichstrommotor (26) betätigt wird, mit den folgenden Schritten:
    a) Messen des Stromverlaufs (38) des dem Gleichstrommotor (26) zugeführten Stromes,
    b) Erkennen von Kommutierungsartefakten (42) im gemessenen Stromverlauf (38),
    c) Bestimmen der Anzahl an erkannten Kommutierungsartefakten (42) durch eine Steuereinheit (30),
    d) Bestimmen der Position des Stellglieds (24) anhand der Anzahl an Kommutierungsartefakten (42) durch die Steuereinheit (30) unter Verwendung der Anzahl an Kommutierungsartefakten (42) relativ zu einer Endlage (E1, E2) des Stellgliedes (24),
    e) Erkennen der Endlage (E1, E2) des Stellglieds (24) durch die Steuereinheit (30) und daraufhin Bestimmen der Position des Stellglieds (24) als die Endlage (E1, E2), unabhängig von der Anzahl der Kommutierungsartefakte (42), und
    f) Überprüfen der Steuereinheit (30) beim Erreichen der Endlage (E1, E2), ob die Anzahl der Kommutierungsartefakte (42) oberhalb einer vorbestimmten Mindestanzahl und/oder innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) die Drehrichtung des Gleichstrommotors (26) bestimmt, insbesondere anhand der Polarität des Stromes, und zur Bestimmung der Position des Stellgliedes (24) heranzieht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) die Anzahl der vom Gleichstrommotor (26) absolvierten Umdrehungen und/oder den absolvierten Drehwinkel des Gleichstrommotors (26) anhand der Anzahl der Kommutierungsartefakte (42) bestimmt und zur Bestimmung der Position des Stellglieds (24) verwendet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getriebe (28) zwischen dem Gleichstrommotor (26) und dem Stellglied (24) vorgesehen ist, wobei in der Steuereinheit (30) Informationen über die Übersetzung des Getriebes (28) hinterlegt sind, wobei die Steuereinheit (30) die Position des Stellglieds (24) in Abhängigkeit der Übersetzung des Getriebes (28) sowie den absolvierten Umdrehungen und/oder dem absolvierten Drehwinkel des Gleichstrommotors (26) bestimmt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (30) eine Wertetabelle hinterlegt ist, die die Position des Stellglieds (24) in Abhängigkeit der Anzahl an Kommutierungsartefakten, der Anzahl an absolvierten Umdrehungen, des absolvierten Drehwinkels und/oder der Übersetzung des Getriebes (28) angibt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromverlauf (38) durch die Steuereinheit (30), einen Treiber (32) des Gleichstrommotors (26) oder einen Shunt (36) mit Spannungsmesser gemessen wird.
  7. Stellgliedbaugruppe für einen Verbrennungsmotor mit einem Stellglied (24), einem Gleichstrommotor (26) und einer Steuereinheit (30), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
  8. Stellgliedbaugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) Teil eines Treibers (32) und/oder einer H-Brücke für den Gleichstrommotor (26) ist.
  9. Stellgliedbaugruppe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (24) eine Regelklappe für eine Turboladereinheit (12) des Verbrennungsmotors (10), eine Drallklappe für eine Sauganlage (14) des Verbrennungsmotors (10) oder ein Ventil, insbesondere ein Mehrwegeventil für einen Motorkühlkreislauf (20) des Verbrennungsmotors (10) ist.
  10. Stellgliedbaugruppe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedbaugruppe (22) ein Getriebe (28) mit einer vorbestimmten Übersetzung aufweist, wobei das Getriebe (28) insbesondere selbstsperrend ist.
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