Title:
Verfahren zur Schädigungsprognose eines schaltenden, elektromagnetischen Aktors
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Schädigungsprognose eines schaltenden, elektromagnetischen Aktors, wobei der Aufprallimpuls des Ankers des Aktors bei jedem Schaltvorgang in Echtzeit aus dem Verlauf des Spulenstroms ermittelt wird (S1), wobei bei jedem Aufprall des Ankers abhängig von der Höhe des Aufprallimpulses ein Zähler um einen vorgegebenen Wert erhöht wird (S2). embedded image





Inventors:
Kiltz, Lothar (88212, Ravensburg, DE)
Application Number:
DE102017202073A
Publication Date:
08/09/2018
Filing Date:
02/09/2017
Assignee:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG, 88046 (DE)
International Classes:
H01F7/18; G01R31/00
Domestic Patent References:
DE19544207A1N/A
DE69728756T2N/A
Foreign References:
WO2015185477A1
Claims:
Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Schädigungsprognose eines schaltenden, elektromagnetischen Aktors, wobei der Aufprallimpuls des Ankers des Aktors bei jedem Schaltvorgang in Echtzeit aus dem Verlauf des Spulenstroms ermittelt wird (S1), wobei bei jedem Aufprall des Ankers abhängig von der Höhe des Aufprallimpulses ein Zähler um einen vorgegebenen Wert erhöht wird (S2).

Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zähler ein Schädigungszähler ist.

Verfahren nach Anspruch 1, wobei der ermittelte Aufprallimpuls einer aus mindestens zwei Klassen zugeordnet wird, wobei für jede Klasse die Anzahl an zugehörigen Aufprallvorgängen gespeichert und ein zu dieser Klasse gehörender Zähler um einen vorgegebenen Wert erhöht wird.

Verfahren nach Anspruch 3, wobei jede Klasse ein vorgegebenes Intervall umfasst, und jeder der ermittelten Aufprallimpulse wird einem der Intervalle abhängig von seiner ermittelten Höhe zugeordnet.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufprallgeschwindigkeit des Ankers des Aktors bei jedem Schaltvorgang zusätzlich aus dem Verlauf der Spulenspannung ermittelt wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufprallimpulse für jeden mechanischen Endanschlag separat erfasst werden, oder wobei nur der Aufprall in einem der mechanischen Endanschläge erfasst wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufprallimpuls aus dem Verlauf des Spulenstroms oder aus dem Verlauf des Spulenstroms und der Spulenspannung in Kombination mit einem mathematischen Modell der Stromaufbaudynamik bestimmt wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei basierend auf dem Zählerstand ein Bestimmen eines Trends der Schädigung des Aktors erfolgt.

Steuergerät, das einen Zähler aufweist und dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.

System, das zumindest einen schaltenden, elektromagnetischen Aktor sowie ein Steuergerät nach Anspruch 9 aufweist.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schädigungsprognose eines schaltenden, elektromagnetischen Aktors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromagnetische Aktoren, insbesondere Hydraulik- oder Pneumatikventile, bestimmen funktionelle Eigenschaften von Baugruppen wie Kupplungen, Bremsen und Ventilen z.B. in Antrieben von Fahrzeugen. Die Geschwindigkeit, mit welcher der (Magnet-)Anker eines schaltenden elektromagnetischen Aktors im mechanischen Endanschlag aufprallt, variiert deutlich mit den Umgebungsbedingungen beim Schaltvorgang. Z.B. ermöglicht eine höhere Versorgungsspannung einen schnelleren Ankeranzug, und eine niedrige Temperatur verringert die Geschwindigkeit z.B. infolge höherer Ölviskosität und somit höherer Dämpfung bei Verwendung im Automobilbereich. Entsprechend ist auch eine durch den Aufprall auftretende Schädigung des Aktors bei jedem Schaltvorgang unterschiedlich groß.

Es ist also eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Schädigungsprognose eines schaltenden, elektromagnetischen Aktors bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Schädigungsprognose eines schaltenden, elektromagnetischen Aktors, wobei der Aufprallimpuls des Ankers des Aktors bei jedem Schaltvorgang in Echtzeit aus dem Verlauf des Spulenstroms ermittelt wird, wobei bei jedem Aufprall des Ankers abhängig von der Höhe des Aufprallimpulses ein Zähler um einen vorgegebenen Wert erhöht wird.

Durch die Erfassung der Anzahl der Aufprallimpulse in Echtzeit aus dem Verlauf des Spulenstroms und der Einordnung je nach der erfassten Höhe des Aufpralls wird eine verbesserte Schädigungsprognose im Vergleich zum Zählen lediglich der Anzahl der Aufprallimpulse bereitgestellt.

In einer Ausgestaltung ist der Zähler ein Schädigungszähler. Durch einen Zähler, dessen Wert je nach Höhe des Aufpralls um unterschiedliche Werte erhöht wird, kann in einfacher Weise eine Prognose gegeben werden, wie schnell eine Schädigung des Aktors eintreten wird. Dies hängt von der Höhe der Aufprallimpulse ab.

In einer Ausgestaltung wird der ermittelte Aufprallimpuls einer aus mindestens zwei Klassen zugeordnet, wobei für jede Klasse die Anzahl an zugehörigen Aufprallvorgängen gespeichert und ein zu dieser Klasse gehörender Zähler um einen vorgegebenen Wert erhöht wird. In einer Ausgestaltung bleiben die Zähler der übrigen Klassen unverändert. In einer Ausgestaltung umfasst jede Klasse ein vorgegebenes Intervall, und jeder der ermittelten Aufprallimpulse wird einem der Intervalle abhängig von seiner ermittelten Höhe zugeordnet.

Durch die Einteilung der Aufprallimpulse in Klassen kann einfach ermittelt werden, ob und wie viele Aufprallimpulse als z.B. niedrig oder hoch im Falle einer Einteilung in zwei Klassen einzustufen sind. Somit kann auch ggf. auf andere Fehlfunktionen geschlossen werden, wenn in einer Klasse eine unerwartet hohe Anzahl von Aufprallimpulsen gezählt wurde.

In einer Ausgestaltung wird die Aufprallgeschwindigkeit des Ankers des Aktors bei jedem Schaltvorgang zusätzlich aus dem Verlauf der Spulenspannung ermittelt. Durch Einbeziehen der Spulenspannung kann eine verbesserte Erfassung bzw. Rekonstruktion der Höhe des Aufprallimpulses erfolgen.

In einer Ausgestaltung werden die Aufprallimpulse für jeden mechanischen Endanschlag separat erfasst. In einer Ausgestaltung wird nur der Aufprall in einem der mechanischen Endanschläge erfasst. Je nach Anwendung kann es sinnvoll sein, den Aufprallimpuls in jedem der Endanschläge oder lediglich in einem davon zu erfassen. Durch Erfassen des Aufprallimpulses in beiden Endanschlägen kann der Aktor genauer überwacht werden. Durch Erfassen des Aufprallimpulses in lediglich einem Endanschlag werden der Zähler und die Auswertung vereinfacht.

In einer Ausgestaltung wird der Aufprallimpuls aus dem Verlauf des Spulenstroms oder aus dem Verlauf des Spulenstroms und der Spulenspannung in Kombination mit einem mathematischen Modell der Stromaufbaudynamik bestimmt. Je mehr Parameter in die Bestimmung einfließen, desto genauer kann die Schädigungsprognose erfolgen, da die Position und damit der Aufprall des Ankers genauer bestimmt werden können.

In einer Ausgestaltung erfolgt basierend auf dem Zählerstand ein Bestimmen eines Trends der Schädigung des Aktors. Somit können rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um den Aktor zu schützen und keine weiteren Komponenten durch einen Ausfall des Aktors zu schädigen.

Bereitgestellt wird auch ein Steuergerät, das einen Zähler aufweist und das dazu eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren durchzuführen.

Bereitgestellt wird außerdem ein System, das zumindest einen schaltenden, elektromagnetischen Aktor sowie das beschriebene Steuergerät aufweist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

  • 1 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Wie einleitend bereits beschrieben variiert die Geschwindigkeit, mit der der (Magnet-) Anker eines schaltenden elektromagnetischen Aktors im mechanischen Endanschlag bzw. einem der Endanschläge aufprallt, deutlich mit den Umgebungsbedingungen beim Schaltvorgang. Entsprechend ist auch die potentielle Schädigung des Aktors bei jedem Schaltvorgang unterschiedlich groß.

Aus diesem Grund wird nachfolgend ein Verfahren vorgestellt, durch welches der Aufprallimpuls bei jedem vergangenen Schaltvorgang des Aktors in einer Schädigungsprognose berücksichtigt wird. Das heißt, dass nicht nur die Anzahl der Aufprallimpulse gezählt wird, sondern ihre Höhe bestimmt und daraus bestimmt wird, ob bzw. der vorhandene Zähler erhöht wird bzw. welcher Zähler erhöht wird, wenn eine Einteilung in Klassen mit zugehörigen Zählern erfolgt.

Zur Ermittlung des Aufprallimpulses aus dem Spulenstrom und der Spulenspannung, wenn verfügbar, sind verschiedene Verfahren bekannt. Diese beruhen darauf, dass während der Bewegung des Ankers eine der Geschwindigkeit und somit dem Impuls proportionale Spannung induziert wird. Im mechanischen Endanschlag wird die Geschwindigkeit und somit der Impuls des Ankers nahezu instantan vernichtet oder der Anker prellt sogar.

In jedem Fall ändert sich die bewegungsinduzierte Spannung zum Zeitpunkt des Aufpralls nahezu sprungförmig, wobei die Sprunghöhe umso größer ist, je höher die Geschwindigkeit des Ankers vor dem Aufprall war. Nach dem Faraday'schen Induktionsgesetz führt dies näherungsweise zu einer Dirac-impulsförmigen Änderung der zweiten zeitlichen Ableitung des Stroms durch die Magnetspule, wobei das Gewicht des Dirac-Impulses proportional zur Sprunghöhe in der Ankergeschwindigkeit ist.

Aus dem Verlauf des Spulenstroms oder, besonders vorteilhaft, aus dem Verlauf des Spulenstroms und der Spulenspannung in Kombination mit einem mathematischen Modell der Stromaufbaudynamik der Magnetspule kann also auf die Aufprallgeschwindigkeit des Ankers und somit auf dessen Aufprallimpuls geschlossen werden. Hierzu sind ebenfalls verschiedene Verfahren bekannt.

Das vorgestellte Verfahren zur Schädigungsprognose berücksichtigt die Aufprallimpulse bei jedem einzelnen vom Aktor absolvierten Schaltvorgang. Hierzu erfolgt während des Betriebs des Aktors eine Ermittlung des Aufprallimpulses aus dem Strom durch die Magnetspule und der elektrischen Spannung über der Magnetspule, wenn verfügbar, aber ohne dedizierten Sensor für die Ankerposition, Ankergeschwindigkeit oder Ankerbeschleunigung.

Vorteilhafterweise wird der Aktor über ein elektrisches Steuergerät angesteuert. Dieses Steuergerät kann ausgelegt sein, den Spulenstrom des Aktors zu erfassen. Optional kann es auch ausgelegt sein, die Spulenspannung des Aktors zu erfassen. Sowohl Strom als auch Spannung können auch über andere Wege bereitgestellt werden, um dem Steuergerät bereitgestellt und davon verarbeitet zu werden.

Bei einem Schaltvorgang wird mit einem bekannten Verfahren die Aufprallgeschwindigkeit aus dem Verlauf des Spulenstroms und, sofern erfasst, dem Verlauf der Spulenspannung ermittelt. Vorteilhaft wird dazu ein mathematisches Modell der Stromaufbaudynamik des Aktors zur Bestimmung hinzugezogen.

Ein solches Modell kann ohne Verwendung von dedizierten Sensoren, aber unter Einbeziehung von zusätzlichen Parametern zu den bisher verwendeten Parametern Strom und Spannung, eine genaue Schätzung z.B. der Ankerposition, der Ankergeschwindigkeit und der Ankerbeschleunigung bereitstellen. Durch das Einbeziehen bisher nicht verwendeter Parameter wie von außen angreifender Kräfte in die Berechnungen kann eine präzise und während des Betriebs ablaufende Bestimmung der Ankerposition, der Ankergeschwindigkeit und der Ankerbeschleunigung erfolgen.

Im Speicher des Steuergerätes kann sich beispielsweise ein Schädigungszähler befinden, welcher bei jedem Aufprall um einen vorgegebenen Wert erhöht wird. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn der Zähler umso mehr erhöht wird, je höher der Aufprallimpuls war. Aus dem Zählerstand kann somit genauer auf die Höhe der Schädigung des Aktors geschlossen werden, als dies möglich wäre, wenn lediglich die Schaltvorgänge gezählt würden.

Alternativ zum Schädigungszähler kann der ermittelte Aufprallimpuls klassiert werden, also einem Intervall zugeordnet werden. Die Intervalle werden bevorzugt derart gewählt, dass eine Zuordnung bzw. Einschätzung zu einem Grad an Schädigung daraus abgelesen werden kann. Dies kann durch Zählen der Anzahl an der Klasse zugeordneten Aufprallimpulse erfolgen. Hierfür werden für jede relevante Aufprallimpulsklasse die Anzahl der zugehörigen Aufprallvorgänge hinterlegt. Wenn also ein Aufprallimpuls einer bestimmten Klasse ermittelt wurde, wird der zu dieser Klasse gehörende Zähler um einen vorgegebenen Wert, z.B. um eins, erhöht. Die Zähler der übrigen Klasse bleiben aber unverändert. Somit kann die Klasse, welcher die meisten Aufprallimpulse zugeordnet wurden, bestimmt werden. Somit kann bestimmt werden, ob Aufprallimpulse in einer Klasse auftreten, welche eine hohe Schädigung anzeigt oder eine geringe Schädigung. Auch kann bei Erfassen eines als hoch definierten Aufprallimpulses der Zähler der Klasse, die den hohen Aufprall-impuls und damit eine potentiell hohe Schädigung anzeigt, um einen höheren Wert erhöht werden als der Zähler einer Klasse, die einen niedrigeren Aufprallimpuls zählt. Somit kann eine Gewichtung eingeführt werden.

Wahlweise können auch die Aufprallimpulse für jeden mechanischen Endanschlag separat erfasst werden, oder es kann nur der Aufprall in einem der mechanischen Endanschläge erfasst werden. Je nach Anwendung kann es vorteilhaft sein, beide Endanschläge zu überwachen oder es kann ausreichen, lediglich einen davon zu überwachen. Dies liegt im Ermessen des Fachmanns und hängt von den verfügbaren Ressourcen ab.

Das Verfahren kann für schaltende elektromagnetische Aktoren in Getrieben, Lenk-, Brems- und Fahrerassistenzsystemen, sowie Fahrwerkkomponenten angewendet werden.

Eine Herausforderung zur Umsetzung des Verfahrens besteht unter anderem in der simultanen transienten Rekonstruktion der Ankerposition, Ankergeschwindigkeit bzw. Ankerbeschleunigung und der auf den Anker wirkenden Kräfte aus der Spulenspannung und dem Spulenstrom unter Berücksichtigung weiterer bisher für die Bestimmung der Ankerposition nicht berücksichtigter und komplex zu integrierender Kräfte. Eine solche transiente Rekonstruktion kann über unterschiedliche Verfahren erfolgen. Vorteilhaft erfolgt sie über ein Verfahren, bei dem keine dedizierten Sensoren verwendet werden, wie in einer Anmeldung der Anmelderin offenbart.

Zur transienten bzw. dynamischen oben genannten Überwachung wird ein Verfahren angewendet, das basierend auf einem erfassten elektrischen Strom (und evtl. auch einer erfassten Spannung) eine Rekonstruktion von Zustandsgrößen eines elektromagnetischen Aktors mittels eines Beobachters durchführt. Zusätzlich zu den bekannten Beobachtern, welche die Dynamik des Aktors beschreiben, werden hier weitere bisher nicht betrachtete und komplex in das Modell einzubindende Komponenten oder Parameter betrachtet. Solche Parameter sind beispielsweise die Temperatur der Magnetspule, der elektrische Widerstand der Magnetspule, ein Anteil der auf den Anker wirkenden Kraft oder ein Vielfaches davon, ein fluidischer Druck, Wirbelströme, ein oder mehrere Operatoren, die eine gedächtnisbehaftete Nichtlinearität nachbilden. Auch kann dem Stellsignal für mindestens eine Magnet-spule des Aktors ein Dither-Signal überlagert werden.

Durch die simultane Echtzeit-Rekonstruktion von bisher nicht in Betracht gezogenen Zustandsgrößen des Aktors basierend auf gemessenen Größen, d.h. ohne dedizierte Sensoren zur Bestimmung der Zustandsgrößen, kann das Verfahren sowohl für langsame als auch für schnelle Aktorbewegungen, also in Echtzeit, verwendet werden.

Durch die Echtzeit-Bestimmung, das heißt während des Betriebs des Aktors, kann im laufenden Betrieb eine Vielzahl von Messungen erfolgen und die Schädigung über die Zeit überwacht werden. Dadurch kann eine Einschätzung für die Zukunft, also ein Trend bzw. eine Prognose bzgl. der zu erwartenden Schädigung des Aktors ermittelt werden.