Beschreibung

Elektromechanisches System und Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen

Systems

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches System und ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Systems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektromechanischen System.

Elektromechanische Systeme sind für vielfältige Anwendungsgebiete bekannt. Insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik werden zunehmend rein mechanische Systeme durch elektromechanische Systeme ersetzt. Beispiele hierfür sind elektromechanische Lenkungen oder auch elektromechanische Bremsen. Gemeinsam ist diesen Systemen, dass mittels eines Elektromotors ein mechanisches Element bewegt wird. Dabei kann die Bewegung des mechanischen Elements ausschließlich oder nur ergänzend über den Elektromotor erfolgen. Aufgrund der Tatsache, dass die elektromechanischen Systeme häufig oder ausschließlich im Freien eingesetzt werden, sind diese sich ändernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein elektromechanisches System sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Systems zu schaffen, mittels derer die Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit erhöht wird. Weiterhin liegt der Erfindung auch das technische Problem zugrunde, die Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit eines Kraftfahrzeugs mit einem derartigen elektromechanischen Systems zu erhöhen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 , 10 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu umfasst das elektromechanische System mindestens einen Elektromotor und mindestens ein mechanisches Element, das von dem Elektromotor bewegt wird, wobei das elektromechanische System mindestens ein Mittel umfasst, mittels dessen ein Einfrieren einer Betriebsflüssigkeit und/oder einer in das elektromechanische System eingetretenen Flüssigkeit, insbesondere Wasser erfasst wird, wobei der Elektromotor zyklisch in wechselnde Richtung bestromt wird, um ein Einfrieren zu verhindern oder zu verzögern. Der Erfindung liegt dabei die

Erkenntnis zugrunde, dass bei niedrigen Außentemperaturen bei flüssigkeitsgefüllten elektromechanischeή Systemen die Flüssigkeit einfrieren kann, was zu einer Blockierung des Systems führt. Beeinträchtigungen sind auch bei einer Verdickung der Flüssigkeit zu erwarten, so dass es sinnvoll ist, auch die Gefahr eines Einfrierens oder Verdickens zu erfassen bzw. aus den Mess- oder Betriebsdaten abzuleiten. Sofern bekannt ist, bei welcher Temperatur oder bei welchem Betriebszustand mit dem Einfrieren oder der Gefahr des Einfrierens gerechnet werden kann, kann beispielsweise die Bestromung des Elektromotors auch ab bzw. unter einem Schwellwert für eine Temperatur vorgenommen werden. Das Einfrieren des elektromechanischen Systems oder einer seiner den Betrieb beeinflussenden Flüssigkeiten kann zu erheblichen Folgeschäden oder zur Beeinträchtigung der Funktion des elektromechanischen Systems führen. Durch die zyklische Bestromung mit wechselnder Richtung wird die Verdickung oder Eis- oder Eiskristallbildung bzw. das Verfestigen der entsprechenden Flüssigkeiten (Betriebsflüssigkeiten oder in das System eindringende Flüssigkeiten) verhindert und durch die Bewegung kleinere Verbindungen aufgebrochen. Durch die zyklische Bewegung werden die entsprechenden Flüssigkeiten in dem elektromechanischen System zusätzlich durchmischt und Temperaturgradienten im System reduziert. Mit anderen Worten ausgedrückt werden Betriebs- oder in das System eindringende Flüssigkeiten an einfriergefährdeten Stellen kontinuierlich in Bewegung gehalten oder durchmischt. Gleichzeitig wird durch auftretende Reibungsverluste das System erwärmt und somit insgesamt dem Einfrieren entgegengewirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel zum Erfassen des Einfrierens ein Temperatursensor, Feuchtesensor und/oder ein Stick-Slip-Erkenner.

Der Stick-Slip-Effekt bezeichnet das Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Festkörpern. Dabei üben gedämpft gekoppelte Oberflächenteile eine schnelle Bewegungsfolge aus Haften, Verspannen, Trennen und Abgleiten aus. Dies führt je nach System zur Anregung von Schwingungen, die von einer resonanzfähigen Oberfläche beispielsweise als Geräusch abgestrahlt werden können. Ein elektromechanisches System könnte somit unter anderem einen höheren Geräuschpegel aufweisen. Beispiele hierfür sind das Quietschen von Eisenoder Straßenbahn bei Kurvenfahrt oder Bremsmanövern, ratternde Scheibenwischer auf Autoscheiben oder auch das „Knarzen" von Lederschuhen. Bei einem Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektromechanischen System ist somit bei Auftreten des Stick-Slip-Effekts in einem elektromechanischen System zumindest mit unerwünschten Komforteinbussen einschließlich Erhöhung des Geräuschpegels im Betrieb zu rechnen. Bei einer zunehmenden

Erhöhung des Haftanteils (Stick-Anteils) kann es sogar im ungünstigsten Fall zu einer Funktionsbeeinträchtigung kommen.

Mittels eines Temperatursensors lässt sich einfach bei Kenntnis des Gefrierpunkts der Betriebsflüssigkeit oder der Kenntnis des Gefriepunkts einer möglicherweise eingedrungenen Flüssigkeit abschätzen, ob die Gefahr des Einfrierens der jeweiligen Flüssigkeit gegeben ist. Im Fall, dass das elektromechanische System in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, ist aufgrund der Betriebsumgebung in der Regel mit einem möglichen Eindringen von Wasser zu rechnen. Mit einem Feuchtesensor kann das Eindringen von Flüssigkeit in einen sonst trockenen Betriebsraum detektiert werden. Alternativ oder kumulativ kann dies auch mittels eines Stick- Slip-Erkenners erfolgen, der die Betriebsdaten des elektromechanischen Systems auswertet. Der Grundgedanke bei der Stick-Slip-Erkennung ist, dass bei einem beginnenden Einfrieren oder bei einer beginnenden Verdickung trotz Kraft bzw. Moment des Elektromotors das mechanische Element sich (zunächst) nicht bewegt (Stick-Effekt) und dann anschließend beim Losbrechen der Beginn der Bewegung im Bereich des Maximums der aufgebrachten Kraft von einer Verringerung der notwendigen Kraft zur Wegregelung folgt. Vorzugsweise wird nicht bei einem einmaligen Stick-Slip-Effekt auf ein Einfrieren geschlossen, sondern erst wenn dieser Effekt mehrere Male hintereinander auftritt, vorzugsweise innerhalb eines definierten oder definierbaren Zeitintervalls.

Ist das Mittel zur Erkennung des Einfrierens oder der Gefahr des Einfrierens oder der Gefahr der Verdickung der Betriebsflüssigkeit als Stromsensor für den Elektromotor oder als Kraft- oder Drehmomentsensor des elektromechanischen Systems ausgebildet, so kann durch Schwankung des jeweiligen Signals auf das Auftreten des Slip-Stick-Effekts geschlossen werden. Im Falle des Stromsignals würden in gewissen Abständen Stromspitzen im Signalverlauf auftreten. Der zeitliche Verlauf der Stromspitzen ist abhängig von dem jeweiligen elektromechanischen System und typisch im Auftreten von Amplitude und Signaldauer.Ein Stromsensor kann diesen Verlauf mit entsprechender Auflösungsmöglichkeit detektieren. Die Stromspitzen sind dabei auf die überwindung von kurzzeitigen Kraftspitzen zurückzuführen. Zur einfacheren Detektion kann das Stromsignal noch in einer Recheneinrichtung einer Fourier- Analyse unterzogen werden, wobei durch das Auftreten bestimmter Frequenzanteile im Frequenzspektrum auf den Stick-Slip-Effekt geschlossen wird. Für den Einsatz von Kraft- und Drehmomentsensoren, die die Lenkkraft bzw. das aufzubringende Drehmoment an der Lenkung messen, gilt ein analoger Ansatz in dem entsprechenden Signal zur Detektion des Effekts.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zyklische Stromsignal rechteckförmig, trapezförmig, sinusförmig oder dreieckförmig ausgebildet, wobei das Stromsignal vorzugsweise einen Mittelwert von Null aufweist, also Kraft-Offset-Frei ist, d.h. das zyklische Stromsignal bewirkt im Mittel keine zusätzliche resultierende Kraft am Elektromotor. Umfasst sein sollen auch Signalformen, die im wesentlichen oder auch abschnittsweise im wesentlichen den oben genannten Zeitverlauf aufweisen. In realen Schaltungen werden die Signalformen abhängig vom jeweiligen Schaltungsaufbau durch parasitäre Schaltungselemente, wie beispielsweise parasitäre Induktivitäten, Kapazitäten und ohmsche Widerstände verformt, so dass abhnängig vom Messort in der Schaltung ein entsprechend verformtes Signal anzutreffen ist. Besonders bevorzugt ist das rechteckförmige Stromsignal, da dies eine schnelle Kraftumkehr bewirkt und einfach gebildet werden kann.

Eine weitere Möglichkeit zur Aufschaltung eines überlagerten Stromes besteht darin, dass eine Spannungsquelle auf die jeweilige Wicklung des Elektromotors des elektromechanischen Systems, beispielsweise mittels MOS-FETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), geschaltet wird. Der dazugehörige Strom stellt sich dann aufgrund der vorliegenden Impedanz der jeweiligen Wicklung ein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenz des zyklischen Stromsignals größer 20 Hz gewählt, insbesondere größer 30 Hz und weiter vorzugsweise größer 40 Hz. Die Frequenz wird dabei vorzugsweise derart gewählt, dass die Beeinträchtigung für einen Nutzer bzw. den Betriebslauf des elektromechanischen Systems gering ist. Dieses kann abhängig von dem Betriebszustand des elektromechanischen Systems oder den Bedingungen des Betriebs, insbesondere der Temperatur des elektromechanischen Systems oder der Temperatur, in dem das elektromechanische System betrieben wird, erfolgen. Gleiches gilt für die geeignete Wahl der Amplitude des Stromsignals. Allerdings kann die Frequenz und die Amplitude auch derart gewählt werden, dass eine akustische und/oder haptische Spürbarkeit für den Nutzer gegeben ist, so dass dieser gewarnt wird. Frequenz, Amplitude und Warnintervalle können betriebsabhängig gewählt werden. Die Warnung kann auch über eine zusätzliche Warneinrichtung erfolgen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das zyklische Stromsignal dem Betriebsstromsignal überlagert, d.h. das „Freirütteln" findet während des normalen Betriebes statt. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, in denen das zyklische Bestromen auf Ruhezustände des elektromechanischen Systems beschränkt bzw. erweitert wird.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist eine elektromechanische Lenkung in einem Kraftfahrzeug.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:

Fig. 1. ein schematisches Blockschaltbild eines elektromechanischen Systems und

Fig. 2 eine Darstellung der Momente bzw. Ritzelwinkel einer elektromechanischen Lenkung bei einem Einfriervorgang.

In der Fig. 1 ist schematisch ein elektromechanisches System 1 dargestellt. Das elektromechanische System 1 umfasst ein Steuergerät 2, einen Elektromotor 3 und ein mechanisches Element 4, das von dem Elektromotor 3 bewegt wird. über einen alternativen Stromsensor 11 wird ein Betriebsstrom 7 des Elektromotors 3 erfasst. Weiterhin optional vorhanden sind ein Kraftsensor 12 und/oder ein Drehmomentsensor 13, mit denen eine Variation aufzubringender Kräfte oder Dehmomente messbar sind. Weiterhin wird die Ist- Position 5 des mechanischen Elementes 4 dem Steuergerät 2 übermittelt. Des Weiteren erhält das Steuergerät 2 eine Eingangsgröße 6, beispielsweise ein Motorsollmoment. Aus der Eingangsgröße 6 berechnet das Steuergerät 2 ein Betriebsstrom 7, mit dem der Elektromotor 3 bestromt wird, um das gewünschte Motormoment zu erzeugen. Weist nun das mechanische Element 4 eine Betriebsflüssigkeit auf oder befindet sich eine eingetretene Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser im Bereich des mechanischen Elementes, so besteht die Gefahr des Einfrierens. Um nun die Gefahr des Einfrierens oder die Gefahr des Verdickens zu erkennen, ist in dem Steuergerät 2 eine Einfriererkennung oder eine Erkennung der Verdickung einer Betriebsflüssigkeit oder einer in das elektromechanische Systeme eingedrungenen Flüssigkeit integriert. Die Einfriererkennung basiert auf der Tatsache, dass bei der Bewegung von einfrierenden flüssigkeitsgefüllten elektromechanischen Systemen charakteristische Effekte auftreten. Ursache ist eine allmähliche Eiskristallbildung in der Flüssigkeit (bzw. eine Kristallbildung, sofern es sich bei der Flüssigkeit nicht um Wasser handelt) oder eine Verklumpung, die deren Viskosität verändert. Dadurch kommt es zu ausgeprägten Stick-Slip- Effekten bei Einleitung von Bewegungen, wobei die Erkennung vorzugsweise für weggeregelte Systeme wie beispielsweise eine elektromechanische Lenkung geeignet ist. Als geeignete Mittel zur Erkennung der Gefahr des Verdickens oder des Einfrierens einer Betriebsflüssigkeit oder einer in das elektromechanische System, eingedrungenen Flüssigkeit können ein

Temperatursensor 8 und/oder ein Feuchtesensor 9 und oder ein Stick-Slip-Erkenner 10 dienen. Ein Stick-Slip-Erkenner 10 ist ein geeignetes Mittel zum Erkennen des Stick-Slip-Effektes, beispielsweise durch Aufnahme von Geräuschen bzw von Körperschall des elektromechanischen Systems und durch anschließende Frequenzanalyse des Geräusch- oder Körperschallsignals und durch nachfolgenden Vergleich mit einem Sollwertsignal oder einem zugehörigen Schwellwert für bestimmte Frequenzen. Die Erkennung erfolgt bei Durchschreitung des Schwellwertsignals bzw. bei ausreichender Abweichung vom Sollwertsignal.

Die notwendigen Kräfte zur Erkennung des Slip-Stick-Effektes sind systemabhängig, liegen aber weit über den üblichen Kräften zur überwindung der Gesamtreibung des Systems. Aufgrund der Komplexität des zu erkennenden Effektes besteht die Umsetzung der Einfriererkennung aus zwei Teilen:

1 ) Die Stick-Erkennung, d.h. die Erkennung von stillstehenden Systemen bei ansteigender Kraft (überwindung der Kraftreibung)

2) Die Slip-Erkennung, d.h. Beginn der Bewegung im Bereich des Maximus der aufgebrachten Kraft gefolgt von einer Verringerung der notwendigen Kraft zur Wegregelung (überwindung der Gleitreibung)

Diese beiden Teile sollten mehrfach direkt aufeinander folgen, um ein Stick-Slip-Effekt sicher zu erkennen. Mehrere solcher Stick-Slip-Effekte innerhalb einer definierten oder definierbaren Zeitspanne weisen dann auf ein einfrierendes System hin.

Hat nun das Steuergerät 2 eine solche Situation erfasst, so wird ein zusätzliches, zyklisches Stromsignal gebildet, dessen Vorzeichen zyklisch wechselt und dessen zeitlicher Mittelwert vorzugsweise Null ist. Dieses zusätzliche Stromsignal wird dann auf den Betriebsstrom 7 aufaddiert. Die Frequenz und die Amplitude werden dabei derart gewählt, dass das Betriebsverhalten sich nicht ändert, aber durch die zyklischen Bewegungen der Eiskristallbildung entgegengewirkt wird. Vorzugsweise soll jedoch insbesondere bei von Nutzern geführten elektromechanischen Systemen, wie beispielsweise einer elektromechanischen Lenkung in einem Kraftfahrzeug der Nutzer die Gefahr mitgeteilt bekommen. Dies kann durch geeignete Wahl der Frequenz und/oder Amplitude erfolgen, die dann besonders vorteilhaft gleichzeitig ein optisches und/oder haptisches und/oder akustisches Warnsignal an einer Warneinrichtung 14 für den Nutzer erzeugen. Die Aufsummierung erfolgt in einem Ausführungsbeispiel im Falle einer Elektromechanischen Lenkung vorzugsweise im Stillstand der elektromechanischen Lenkung und in einem weiteren Ausführungsbeispiel

zusätzlich im Leerlaufzustand eines Kraftfahrzeuges. Im Leerlauf, sofern es sich gleichzeitig um einen Fahrzeugstillstand handelt, hat die zyklische Bestromung den Vorteil, dass die Fahrtrichtung nicht beeinflusst wird.

In der Fig. 2 sind beispielhafte Verläufe für das Handmoment (Verlauf a), das Motorsollmoment (Verlauf b), dem Motorwinkel (Verlauf c) bzw. den Ritzelwinkel (Verlauf d) bei einer elektromechanischen Lenkung dargestellt. üblicherweise folgt der Ritzelwinkel dem Motorsollmoment. Zum Zeitpunkt „2 min., 7,8 s" steigt jedoch das Handmoment und damit auch das Motorsollmoment an, jedoch ändert sich nicht der Ritzelwinkel. Gleiches gilt für den Motorwinkel, der dem Ritzelwinkel folgt. Der sägezahnartige Verlauf des Motorwinkels beruht dabei auf der Tatsache, dass dieser die Motorlage wiedergibt und somit mit jeder Umdrehung bei 0° begrenzt wurde.

Das Handmoment steigt dann immer weiter bis zum Zeitpunkt „2 min., 8,1 s", wo in etwa das Handmoment sein Maximum aufweist (Stick-Phase). Anschließend steigt der Motorwinkel steil an und auch der Ritzelwinkel steigt, wohingegen das Handmoment aber auch das Motorsollmoment zunächst absinken. Der Gradient vom Mötorsollmoment bzw. Handmoment hat dabei ein anderes Vorzeichen als der Gradient des Ritzelwinkels (Slip-Phase). Der Zeitpunkt „2 min., 8,2 s" stellt das Ende der Stick-Slip-Phase dar. Dieser Vorgang tritt anschließend nochmals auf (2 min., 8,8 s). Diese lokalen Maxima des Handmoments bei Einsetzen der Bewegung sind auf die Tätigkeit des Fahrers zurückzuführen, der das plötzliche Losbrechen nicht schnell genug kompensieren kann.