von Schwingungen mittels eines Elektromotors

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und/oder Kompen- sation von Schwingungen mittels eines Elektromotors,

- wobei durch eine Leistungselektronik und Transformationsstufe eines Steu- ergeräts in einer Regelstrecke Istwerte für Stromkomponenten gewonnen werden;

- wobei die Istwerte mit vorgegebenen Führungsgrößen verglichen werden; - und wobei das Steuergerät den Elektromotor durch wenigstens eine Dreh moment bildende Stromkomponente in Abhängigkeit von einem Betriebs- zustand des Elektromotors zur Erzeugung und/oder Kompensation von Schwingungen steuert. Einige Regierungen und Regierungsinstitutionen haben in den letzten Jahren bereits Beschlüsse und Richtlinien verabschiedet, die es vorschreiben, dass Elektro- und Hybridfahrzeuge bei einer Geschwindigkeit <30km/h ein Warngeräusch für Pas- santen erzeugen. Die National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) in den ETSA, das europäische Parlament und das Ministerium für Land, Infrastruktur, Transport und Tourismus in Japan sind einige dieser Regierungsorgane. Eine Ar beitsgruppe der Wirtschaftskommission für Europa der Vereinten Nationen (UN- ECE) arbeitet seit 2016 an einer ähnlichen Verordnung.

Lautsprecher, die Warngeräusche für Passanten erzeugen, müssen einigen ETmwelt- einflüssen, wie Staub und Feuchtigkeit, standhalten und sind dadurch ein finanziel ler Großaufwand für Autokonzerne. Durch steigende Komfortanforderungen und Leichtbaubestrebungen zur Minimierung des Rohstoff- und Energiebedarfs treten zunehmend größere Anstrengungen beim Entwurf der Fahrzeuggeometrie auf. Dadurch treten zusätzlich Schwingungsprobleme auf, die den Akustikkomfort stö- rend unterwandern. Um jenen Komfort zu gewährleisten werden im Fahrzeug aktiv Geräusche unterdrückt. Dabei kommen unter anderem aktive Motorlager und im Fahrzeug verbaute Lautsprecheranlagen zum Einsatz.

Um ressourceneffizient und nachhaltig zu agieren, wird im Bereich der aktiven Ge- räuscherzeugung mittels elektrischer Aktoren geforscht. Gelingt es Geräusche und Vibrationen alleine mit einem Elektromotor zu generieren, entfällt demnach die Produktion, Validierung, Integration und die Gewährleistung eines Lautsprechers gänzlich. Dieser Forschungsabschnitt erfolgt in der Rahmenforschung„Active Sound Generation (ASG) in passenger cars using the Electronic Power Steering (EPS) motor” mit dem Ziel z.B. Außenlautsprecher zu ersetzen, die Warngeräu- sche, Sounds und Vibrationen erzeugen sollen.

Ein weiterer Auftrag der Forschung ist im Bereich der Active Noise Control (ANC). Dabei ist es das Ziel die Signal erfassung und Kompensationsmethoden weiterzu- entwickeln. Denn die Vision ist - nicht wie bei bereits existierenden Systemen - keine Mikrofone zur Akquise des auszulöschenden Signals zu verwenden, sondern Beschleunigungssensoren. Denn es ist weitaus weniger aufwändig mit einem Kör perschallsensor den Störschall auszuwerten, als mehrere Störschall sensoren (Mik rofone im Dachhimmel) im Fahrzeuginnenraum zu verwenden. Ein weiterer wich tiger Grund des Einsatzes von Beschleunigungssensoren zum Erfassen des Körper schalls ist die Vermeidung von unzusammenhängendem Luftschall. Es liegt der Fo- kus in der gezielten Auslöschung des Körperschalls nahe am Entstehungsort, der zur Entwicklung von diffusem Luftschall im Fahrzeuginnenraum führen würde. So mit werden störende Folgeschwingungen im Ansatz vermieden. Des Weiteren wird als ein wesentlicher Ansatzpunkt der Forschung kein Lautsprecher zur Gegenbe schallung eingesetzt, sondern bereits bestehende Aktoren, wie zum Beispiel der Lenkungsmotor der elektronischen Servolenkung (EPS). Diese Anwendung des be stehenden Motors ist insofern praktisch, da er direkt am Vorderachsträger (VAT) des Fahrzeugs verbaut ist und somit eine räumlich günstige Position zum Kompen sieren des auftretenden störenden Motorgeräuschs des Verbrennungsmotors besitzt. In dieser Forschung werden als Kern des ANC- Algorithmus mehrere Narrowband- FxLMS-Algorithmen, beispielsweise in einer Parallelstruktur angeordnet, einge- setzt. Betrachtet man die Anwendung in der ANC, zielt die Forschung auf das Ein sparen der zum verlangten Akustikkomfort nötigen Dämm- und Absorbermateria lien im Fahrzeug.

Solch Verfahren zum Betreiben von Elektromotoren sind beispielsweise in der DE 10 2009 046 166 Al, DE 10 2014 007 502 Al, DE 10 2010 049 359 Al oder der

DE 10 2016 206059 Al offenbart.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein gegenüber dem Stand der Technik ver bessertes Verfahren zur Erzeugung und/oder Kompensation von Schwingungen mittels elektrischer Maschinen, insbesondere mittels Elektromotoren, bereitzustel len.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung und/oder Kompensation von Schwingungen mittels eines Elektromotors mit den Merkmalen des unabhän- gigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der ab hängigen Ansprüche.

Das erfmdungsgemäße Verfahren baut auf gattungsbildende Verfahren dadurch auf, dass

- entsprechend einer Vorgabefunktion eine Stromgröße und/oder wenigstens ein Istwert einer Stromgröße zunächst einer Vorsteuerung zugeführt wird und die daraus entstehenden Steuergrößen für die wenigstens eine Drehmo ment bildenden Stromkomponenten direkt einer Steuereinheit des Steuerge- räts, insbesondere einer Stromregelung, und dann als Spannungsgrößen ei- ner Leistungselektronik und Transformationsstufe zur Erzeugung von Pha- senspannungen für den Elektromotor zugeführt werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird demgemäß lediglich ein Auslas- tungsgrad („duty cycle“) berechnet. In Folge eines derart berechneten Auslastungs- grades lassen sich Phasenspannungen zur Steuerung des Elektromotors vorteilhaft kontrolliert variieren, wodurch bevorzugt verschiedene Schwingungszustände des Elektromotors erzeugt werden können.

Demnach wird eine regelungstechnische LTnabhängigkeit zur Primärfunktion des Elektromotors erreicht, welches folglich Wechselwirkungen auf Hauptfunktionen des Elektromotors entgegenwirkt. Als Hauptfunktion kann beispielsweise ein elekt romotorisches Lenksystem angesehen werden.

Weiter kann somit die Entwicklung/Implementierung der Hauptfunktion (z.B. Lenkhilfefunktion) unabhängig von der Funktion zur Erzeugung und/oder Kom pensation von Schwingungen mittels des Elektromotors unabhängig gestaltet wer den. Somit kann der Applikationsaufwand reduziert und ferner eine gewünschte Geheimhaltung gewährleistet werden, da die lediglich beispielhaft oben erwähnten Funktionen vorteilhaft unabhängig voneinander entwickelt werden können. Gemäß der vorliegenden Erfindung können bereits existierende Aktoren, zum Beispiel in einem Fahrzeug, neben der eigentlichen Funktion auch für die Erzeugung und/oder Kompensation von Schwingungen verwendet werden, ohne dass deren eigentliche Hauptfunktionalität beeinflusst wird. Es können somit Bauteile, Gewicht und auch Bauraum gespart werden, welches folglich insbesondere die Kosteneffektivität stei gert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft insbesondere die Erzeu- gung und/oder Kompensation von hörbaren Schwingungen (insbesondere Schwin gungen bis 16 kHz) als auch spürbaren Schwingungen (insbesondere Schwingun gen bis 50 Hz).

Dabei ermöglicht eine Steuerung des Elektromotors durch wenigstens eine Dreh moment bildende Stromkomponente vorteilhaft, Schwingungen durch eine unmit telbare Einflussnahme auf den Rotor eines Elektromotors zu erzeugen bzw. zu kom pensieren. Eine Schwingungserzeugung bzw. -kompensation allein über das Ge- häuse eines Elektromotors, wie es im Stand der Technik üblich ist, kann dadurch vorteilhaft vermieden werden.

Demgemäß ist in einem bevorzugten Verfahrensschritt beansprucht, dass in der Leistungselektronik und Transformationsstufe, gegebenenfalls unter Berücksichti- gung einer gemessenen Motordrehzahl des Elektromotors, ein Auslastungsgrad („duty cycle“) berechnet wird, wobei der berechnete Auslastungsgrad zur kontrol lierten Variation der Phasenspannungen zur Steuerung des Elektromotors verwen det wird. In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt ist beansprucht, dass die Erzeu gung und/oder Kompensation von Schwingungen hauptsächlich, d.h. im Wesentli chen, durch eine Steuerung des Rotors des Elektromotors realisiert werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Elektromotor ein Syn- chronmotor oder Asynchronmotor mit einem Drehmoment bildenden Strom sein, der vorteilhaft unter Verwendung einer Pulsmustermodulation mittels des Steuer geräts angetrieben und/oder gesteuert werden kann.

Alternativ dazu kann in einer Ausgestaltung der Elektromotor auch eine Gleich- Strommaschine mit einem Drehmoment bildenden Strom sein, welche mittels des Steuergeräts angetrieben und/oder gesteuert werden kann. Zudem hat sich eine Ausgestaltung bewährt, bei der ein Schwingungswert mit einer Sensorik an mindestens einem Fehlerort, im Folgenden als Messpunkt bezeichnet, ermittelt wird und daraus Steuergrößen für die wenigstens eine Drehmoment bil- dende Stromkomponente bestimmt werden können.

Dabei ist eine Ausgestaltung von Vorteil, wenn die detektierten Schwingungen am Messpunkt durch die erzeugten Schwingungen, die auf Basis der Steuergrößen für die wenigstens eine Drehmoment bildende Stromkomponente entstehen, durch ei- nen geeigneten Regelalgorithmus, insbesondere zur Vorgabe der Stromgrößen , in terferiert werden können.

Schließlich ist eine Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, bei der die erzeugten Schwingungen in ihrer Schwingungsstärke, Schwingungsfrequenz, Schwingungs- Stochastik und/oder Schwingungsphase variiert werden können.

Die vorliegende Erfindung erweitert eine bestehende Ansteuerung oder eine feld- orientierte Regelung einer Synchron- oder Asynchronmaschine (oder die Regelung oder Ansteuerung einer Gleichstrommaschine) um die Steuergrößen für die wenigs- tens eine Drehmoment bildenden Stromkomponente, welche aus einer Vorgabe funktion errechnet und dann für den eventuell benötigten Regler adäquat vorgesteu ert werden. Das resultiert in hörbaren und spürbaren Schwingungen, die insbeson dere Körperschall bzw. Körperschwingungen planmäßig ganz oder teilweise erzeu gen und/oder kompensieren, insbesondere durch Überlagerung.

Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens auf dem Gebiet von Elektro- oder Hybridautos, Elektrorollern, E-Bikes, Fahrstuhl motoren, Werkzeugmaschinen (z.B. CNC-Maschinen) oder dergleichen elektri scher Maschinen, aber auch in handbetätigten Werkzeug- oder Haushaltsgeräten aller Art. Insbesondere im Ehnfeld, in welchem der Arbeitsschutz zum Tragen kommt, kann eine Geräuschreduzierung bzw. eine Geräuschentlastung erreicht werden. Auch weitere ähnliche Anwendungsgebiete können mittels des erfmdungs- gemäßen Verfahrens abgedeckt werden.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.

Die einzige Fig. zeigt schematisch einen Eingriff in eine bestehende Stromrege- lung.

Dargestellt ist, wie in einen bestehenden Regelkreis mit Hilfe einer Vorsteuerung 4 eingegriffen wird, um die Primärfunktion eines Antriebs, insbesondere eines Lenk hilfeantriebs, eines Schiebedachantriebs, eines Fahrantriebs oder vergleichbaren Antriebs, nicht zu beeinflussen.

Da zur Regelung des Antriebs gemäß Ausführungsbeispiel eine sogenannte feldori entierte Regelung eingesetzt wird, so dass eine getrennte Regelung der flussbilden den (d-Komponente) und der Drehmoment bildenden (q-Komponente) Stator stromkomponente möglich ist, wird mit einem sogenannter Active Noise Control (ANC)- Algorithmus in dieser d/q-Ebene eingegriffen.

Das vorliegende Verfahren ermöglicht vorteilhaft die Erzeugung und/oder Kom pensation von hörbaren und spürbaren Schwingungen mit elektrischen Maschinen, insbesondere mit Elektromotoren 1. Diese Schwingungen können vorteilhaft in Schwingstärke, Schwingfrequenz und Schwingungsphase variiert werden. Wobei der Elektromotor 1 vorzugsweise ein Synchronmotor oder Asynchronmotor ist, der unter Verwendung einer Pulsmustermodulation mittels eines Steuergeräts 2, insbe sondere eines Motorsteuergeräts, angetrieben ist. Dabei können in einer Leistungs elektronik und Transformationsstufe 5 Istwerte für die gedrehten Stromkomponen- ten id und iq gewonnen werden, wobei id dem Magnetisierungsstrom und iq dem Drehmoment bildenden Strom des Elektromotors 1 entsprechen. Des Weiteren kön nen die Istgrößen id ist; iq ist; ia ist mit vorgegebenen Führungsgrößen iq _ soll, id soll, ia soll verglichen werden. Zudem kann der Elektromotor 1 eine Gleich strommaschine sein mit einem Drehmoment bildenden Strom ia. Schließlich kann maßgeblich die Drehmoment bildende Stromkomponente iq oder ia in Abhängig keit von einem Betriebszustand vorgegeben werden, um dadurch die gewünschte Erzeugung von hörbaren und spürbaren Schwingungen zu erreichen. In gleicher Weise ist dies mit Gleichstrommaschinen möglich, die nicht über eine Pulsmuster modulation verfügen. Dabei werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter „Betriebszustand“ insbesondere eine Drehzahl, eine Last und/oder anderweitige mechanische und/oder akustische Zustände des Elektromotors und/oder der Umge- bung verstanden.

Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens wird entsprechend einer Vorgabefunktion 3 eine Stromgröße id* und/oder iq* und/oder wenigstens ein Istwert id ist; iq _ ist; ia ist zunächst einer Vorsteuerung 4 zugeführt, wobei im Falle eines als Synchron motor oder Asynchronmotor ausgestalteten Elektromotors 1 die Größe id den Mag netisierungsstrom, also die Stromkomponente in Richtung des Rotorflusses, und die Größe iq den Drehmoment bildenden Strom, also die Stromkomponente senkrecht zum Rotorfluss, bezeichnet. Im Falle eines als Gleichstrommaschine ausgestalteten Elektromotors 1 stellt hingegen der Ankerstrom ia die Drehmoment bildende Stromkomponente dar.

Bei der Vorgabefunktion 3 kann es sich vorzugsweise um gewünschte Geräusche z.B. als Sounddateien handeln, welche zusammen mit externen Signalen, insbeson dere gemessenen Eimgebungsgeräuschen und Beschleunigungen, einem ANC-Sys- tem zugeführt werden, welches wiederum die Stromgrößen id* und/oder iq* gene riert. Die Vorsteuerung 4 errechnet dann die Steuergrößen iq steuer, id steuer uq steuer und ud steuer, welche direkt einer Steuereinheit 2a des Steuergeräts 2, insbeson dere der Stromregelung, und dann als Spannungsgrößen ud und uq einer Leistungs- elektronik und Transformationsstufe 5 zugeführt werden.

In die Berechnung der Spannungsgrößen ud und uq kann dabei insbesondere eine mittels eines Drehzahl sensors 11 gemessene Motordrehzahl w des Elektromotors 1 eingehen, um eine Entkopplung der Regelkreise für id und iq zu erreichen. In der Leistungselektronik und Transformationsstufe 5 kann schließlich, gegebe- nenfalls auch unter Berücksichtigung der gemessenen Motordrehzahl co, ein Aus- lastungsgrad („duty cycle“) berechnet werden, wobei der berechnete Auslastungs- grad zur kontrollierten Variation der Phasenspannungen ua; ub; uc zur Steuerung des Elektromotors 1 verwendet werden kann.

Insbesondere können die Steuergrößen iq steuer; id steuer; uq steuer und ud steuer direkt einer bestehenden Motorregelung PI, insbesondere in Form eines PI-Reglerblocks, bzw. der Steuereinheit 2a des Steuergeräts 2 zugeführt werden. Wie in der Figur gezeigt ist, werden für das erfindungsgemäße Verfahren innerhalb der Steuereinheit 2a vorteilhaft lediglich vor und nach dem PI-Reglerblock Ein griffe zur Einspeisung der Steuergrößen id steuer; iq steuer; uq steuer; ud steuer benötigt. Weitere Veränderungen an einer bestehenden Motorregelung, beispiels weise eines Lenkungsmotors, sind nicht notwendig. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn genaue Kenntnisse über eine konkret bestehende Motorregelung (PI- Reglerblock), beispielsweise eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahren verwendeten Lenkungsmotors eines Fahrzeugs, aufgrund einer Geheimhal tung durch den Lenkungsherstellers fehlen. Darüber hinaus kann vorteilhaft ein Schwingungswert mit einer Sensorik, insbe- sondere mit einem Beschleunigungssensor und/oder mit einem Mikrofon, an min destens einem Messpunkt, beispielsweise an einem Mikrofon am Fahrerohr oder in dessen Nähe, insbesondere im Dachbereich eines Fahrzeugs, ermittelt und daraus Steuergrößen iq steuer, id steuer; uq steuer und ud steuer bestimmt werden. Die detektierten Schwingungen am Messpunkt können dabei vorteilhaft durch die er zeugten Schwingungen, die auf Basis der Steuergrößen iq steuer, id steuer uq steuer und ud steuer entstehen, im Rahmen der Vorgabefunktion 3 durch einen geeigneten Regelalgorithmus, vorzugsweise durch einen FxLMS-Algorithmus („filtered x Least Mean Squares-Algorithmus“), zur Vorgabe der Stromgrößen id* und iq* interferiert werden.

Die vorliegende Erfindung erweitert eine bestehende Ansteuerung oder eine feld orientierte Regelung einer Synchron- oder Asynchronmaschine (oder die Regelung oder Ansteuerung einer Gleichstrommaschine) um die Steuergrößen id steuer; iq_steuer; ia steuer; ud steuer; uq steuer und ua steuer für die wenigstens eine Drehmoment bildende Stromkomponente iq; ia , welche aus einer Vorgabefunktion 3 errechnet und dann für den eventuell benötigten Regler adäquat vorgesteuert wer den. Das resultiert in hörbaren und spürbaren Schwingungen, die insbesondere Kör- perschall bzw. Körperschwingungen planmäßig ganz oder teilweise erzeugen und/oder kompensieren, insbesondere durch Überlagerung.

Die erzeugten Schwingungen können dabei vorteilhaft in ihrer Schwingungsstärke, Schwingungsfrequenz, Schwingungsstochastik und/oder Schwingungsphase vari- iert werden, wobei die Frequenz und Amplitude der erzeugten (Kompensations-) Schwingung, beispielsweise an die aktuelle Motordrehzahl und das Drehmoment eines Verbrennungsmotors (Störschwingung), angepasst werden, wodurch vorteil haft immer eine optimale Auslöschung des Störgeräusches gewährleistet ist. Bezugszeichenliste

1 Elektromotor

Drehzahl sensor

2 Steuergerät

2a Steuereinheit mit einer feldorientierten Regelung

Lq, Ld Induktivitäten

K Konditionierungselement

PI Motorregelung, insb. PI-Reglerblock w Drehzahl des Elektromotors (1)

3 Vorgabefunktion

4 Vorsteuerung

5 Leistungselektronik und Transformationsstufe u _a , Ub, u _c Phasenspannungen

i _d *, iq* Stromgrößen, erhalten als Output der Vorgabefunktion 3, ins- besondere erhalten aus einem ANC („active noise control“) - System ld-steuer, lq-steuer,

la-steuer Steuergrößen (Stromkomponenten) für die wenigstens eine

Drehmoment bildende Stromkomponente i _q , i _a

Ud-steuer, Uq-steuer,

Ua-steuer Steuergrößen (Spannungskomponenten) für die wenigstens eine Drehmoment bildende Stromkomponente i _q , i _a id-soii, iq-soii, ia-soii Führungsgrößen ld-ist, lq-ist,

ia-ist Istwerte der Stromkomponenten i _d Magnetisierungsstrom (Stromkomponente in Richtung des

Rotorflusses)

Ud Spannungskomponente des Magnetisierungsstroms i _d iq Drehmoment bildende Stromkomponente (Stromkomponente senkrecht zum Rotorfluss) u _q Spannungskomponente der Drehmoment bildenden Strom komponente i _q la Ankerstrom (bei Gleichstrommotoren)