利用飞轮联接到内燃机的电机的运行状态的测定的制作方法

本发明涉及一种用于测定通过飞轮联接到内燃机的电机的运行状态的方法，以及一种用于电机的计算单元，优选调节器，以及一种用于执行该方法的计算机程序。

背景技术：

为了调节车辆中的车辆电源电压，可以使用电机，特别是他激电机。

该电机具有调节器，其根据车辆的车辆电源电压调节电机的励磁电流。电机利用联接元件、通常是皮带驱动器联接到内燃机，其中，联接元件不仅由内燃机而且还由电机以不同的扭矩和制动力矩加载。为了保护皮带，电机可以具有飞轮元件，以减少由于电机或内燃机施加扭矩而引起的皮带驱动器的磨损。

因此，电机可以具有空转阶段，在空转阶段中，飞轮元件是启用的并且因此电机与内燃机退耦。当电机的转速大于内燃机的转速时，飞轮元件特别是启用的。

电机内的这种类型的空转阶段的测定例如在未公开的申请de102016201958，de102016201960或de102016208704中指出，其中在那里示出的用于测定相应空转阶段的方法通过明确参考应该完全是本申请的主题。

由于在空转阶段内电机与内燃机的退耦，电机在该空转阶段内非常敏感地对能够改变电机转速的任何影响做出反应。

如果接下来通常提及电机，则其在此也可以是发电机和/或电动机。

原则上，因此希望使用在电机的空转阶段内的转速曲线的敏感时域，从而通过在电机的空转阶段的时域内分析电机的机器参数来确定电机、内燃机或典型地在其上联接有电机的车辆电源的任何运行状态。

技术实现要素：

在此提出了一种用于测定通过飞轮联接到内燃机的电机的运行状态的方法，以及一种计算单元和用于执行具有相应的独立权利要求的特征的方法的计算机程序。优选的设计方案是从属权利要求以及接下来的说明书的主题。

该方法用于测定通过飞轮联接到内燃机的电机的运行状态。电机的待测定的运行状态优选是电机的整流器的、特别是有源整流器的故障状态和/或电机的负载加载的状态，这可以通过例如接通和/或断开车辆电源中的用户和由此产生的负载来获得。

已经认识到，当电机与驱动它的内燃机退耦时，能够以特别简单和可靠的方式并且以可信的结果通过在电机中提供的测量参数测定这种类型的运行状态。在具有通过飞轮元件联接到电机的皮带轮的电机的情况下尤其是这种情况，特别是当飞轮元件是启用的时，也就是说，与内燃机强制联接的皮带轮的转速小于电机或电机转子的转速。

电机的相应运行状态由启用的飞轮的时域中的，也就是说，在电机的空转阶段期间的转速时间曲线的特征化曲线形状获得，其中，在第一步骤中测定电机转速的时间曲线，由转速的该时间曲线测定电机的至少一个空转阶段并且由分配给空转阶段的至少一个转速沿根据相应转速沿的形状与标准曲线的比较推断出电机的相应运行状态。

相应的标准曲线是转速对于电机的相应运行状态来说在空转阶段的时域中的典型特征，其中相应的标准曲线取决于电机的参数，例如取决于电机的绝对转速。

能够分配给相应运行状态的相应标准曲线可以优选地在电机的计算单元中，特别是在调节器中存储在存储器上，由此能够以有利的方式独立地在电机本身中执行电机运行状态检测，而不强制性地需要为此而强制性地在电机外部布置的控制设备。此外，应当理解，这种类型的测定也能够替换地或者附加地在电机外部布置的控制单元中，例如机动车辆的发动机控制设备中执行，以便例如实现冗余的运行状态测定。

另外，可以理解的是，通过至少在由内燃机引起的电机的振荡转速波动引起的下降沿的时域内评估电机转速时间上的变化和/或引入电机的针对性的负载加载并推断负载加载来测定空转阶段的存在性。用于确定空转阶段的这种方法如已经提到的那样，在申请de102016201958，de102016201960或de102016208704中指明，其中在这些文献中指明的、用于测定电机的空转阶段的方法应该参考在那里相应公开的方法作为本申请的主题。

在本发明的优选设计方案中，测定与内燃机联接的电机的至少一个相信号的时间曲线，其中根据相信号测定电机的转速的时间曲线。

这样的设计方案是有利的，因为转速或者转速的时间曲线以及由此电机的空转阶段和电机的相应运行状态能够直接由电机中存在的相信号形式的测量变量来测定。因此，用于确定电机转速的另一传感器不是绝对必要的，由此特别是可以节省成本。在这种情况下，电机的相信号尤其包括电机的至少一个相电压和/或至少一个相电流。

此外，由多个相信号进行转速的测定可以是有利的，以增加转速测定的精度和转速信号的安全提供能力。这是特别有利的，当转速沿的曲线形状具有与转速沿的标准曲线的偏差时，尤其是具有与标准曲线的周期性偏差时，其时间特性在相同的变量级别中，如相信号的、尤其是相电压的扫描转速曲线的信号一样。相信号通常具有带有上升沿和下降沿的脉冲。因此，通过使用至少一个相信号的上升沿和下降沿和/或使用多个相信号中的相应沿可以显著提高转速扫描的时间分辨率，从而保证了电机的可靠的运行状态测定。

在本发明的另一优选设计方案中，电机转速的时间曲线可以通过转速传感器替代地或附加地测定。特别地，通过附加使用转速传感器，可以冗余地测定电机的转速。在这样的转速传感器中，其为了测定转速而可以被安装在电机上或者布置在电机中，它可以是例如感应式、电容式或光学传感器，其优选地将转速信号传输给电机的计算单元，但也可以附加地或替代地传输给布置在电机外部的控制设备，例如，发动机控制设备。

在本发明的另一优选设计方案中，转速沿的标准曲线具有严格单调下降的转速曲线。通过转速的这种严格单调下降的曲线，尤其是在一时域中获得了可用于测定电机的运行状态的空转阶段的能可靠检测的时间窗口，其中，该时域差不多对应于通过内燃机引起的、在电机的转速曲线中的振荡的半个振荡周期。优选地，转速沿的标准曲线具有基本上线性的曲线，其中取决于要确定的运行状态，可以为转速的这种线性或严格单调下降的曲线预先确定梯度的相应接受值，其被分配给电机的相应运行状态。

由此，在空转阶段的时域中的转速曲线能够以特别简单和安全的方式与转速沿的预期的标准曲线进行比较并且由该比较安全且可再现地推导出电机的相应运行状态。

在本发明的另一优选设计方案中，当转速沿的曲线形状具有叠加在标准曲线上的转速波动时，随后推断出电机整流器的故障，其中故障优选地通过测定转速沿的时域内的转速波动的幅度和/或频率来实现。

整流器的故障优选地是整流器的至少一个整流元件的功能损坏或这些元件中的至少一个的完全失效。整流元件可以是无源整流元件，例如二极管和/或有源元件，例如晶体管,特别是mosfet晶体管，其由电机的调节器控制。整流器的至少一个整流元件的故障导致转速波动，其也被称为波纹，其中这种类型的波纹叠加在电机的转速信号上。这种类型的波纹能够容易地仅在电机与内燃机的退耦状态下被探测到，因为这种类型的波纹通过驱动电机的内燃机来相应地平滑。因此，这些波纹在空转阶段内的下降沿中能特别良好地探测到。

通过测定振幅和/或频率，不仅可以推断出这种类型的故障的存在，还可以推断出相应的一个整流器元件或相应的多个整流器元件的损坏程度以及可能相关的整流器元件的数量。由故障引起的转速波动或波纹通常与电机的转速成比例，其中根据电机的相数或分配给电机的相的可能损坏的整流元件的数量给出该比例。与由内燃机引起的转速波动相比，该转速波动具有更高的频率，因此可以很好地与之区分。

在本发明的一个进一步优选的设计方案中，当转速沿的曲线形状被测定，该曲线形状具有严格单调的曲线，该曲线具有相对于标准曲线改变的倾斜梯度时，然后推测出电机的负载加载。转速沿的梯度与标准曲线的偏差通常如此地明显增大，即其可以容易地从转速信号中检测到。在电机的恒定负载加载的情况中，通常期望在空转阶段中在转速沿内的时间上的转速曲线的基本线性的特性，不过在负载加载的情况下转速沿的倾斜明显变大。在电机的脉冲式负载加载的情况下，在空转阶段内获得下降的转速沿的梯度相应于脉冲式加载的脉冲式变化。在此，脉冲的时间上的延展及其幅度是重要的。

在本发明的另一优选设计方案中，当转速沿的曲线形状在一时间间隔内超过和/或低于至少一个阈值，优选地在该时间间隔内基本上周期性地超过和/或低于该阈值时，推测出整流器的故障。

借助于阈值比较，可以特别容易地测定出转速沿与标准曲线偏离的曲线。根据要确定的运行情况，也就是说尤其是电机的整流器的故障或负载加载，可以将用于检索的阈值存储在例如电机的计算单元中，优选地存储在存储器中。因为在借助于脉冲式负载对电机的负载加载的情况中，转速沿的时间上的曲线形状具有类似于相应的负载加载的特性曲线，所以转速沿的周期性曲线的标准尤其可以用作负载加载和整流器的故障之间的区分的标准，因为通常这种类型的负载加载没有周期性的曲线，或者与整流器故障相比有不同的频率特征。

在本发明的另一优选设计方案中，当转速沿的曲线形状在一时间间隔内超过和/或低于标准曲线的梯度的至少一个阈值时，推断出电机的负载加载。由于转速沿的曲线形状具有与相应的负载加载成比例的曲线，所以可以根据梯度的阈值比较非常可靠地测定这种类型的负载加载。这种类型的阈值梯度可以存储在电机的计算单元中和/或存储在外部控制单元中，以便测定这种类型的运行状态。

使用存储在机器可读存储介质上的计算机程序产生了进一步的优点，当该计算机程序在计算单元上执行时，该计算机程序允许计算单元执行根据前述权利要求的方法。

本发明的另一有利设计方案在于用于电机的计算单元，特别是调节器，其通过在计算单元上、尤其是在计算单元的存储介质上提供的计算机程序和/或由相应的集成电路配置为执行根据前述的设计方案的方法。由此获得一种协作关系，因为计算单元，特别是调节器不仅用于控制电机，而且还用于执行根据本发明的方法。

由说明书和附图获得本发明的其他优点和设计方案。

附图说明

图1以示意图示出了利用飞轮元件联接至内燃机的电机；

图2示出了用于测定电机的运行状态的方法的示意图；

图3示出了电机的星形连接的相绕组以及布置在电机的定子相上的整流器元件的示意图；

图4示出了相电压的时间曲线，在某些时间点由此得到的电机的转速和在时间间隔内的平均转速；

图5a示出了通过飞轮联接到电机的皮带轮(虚线)的转速曲线与在空转阶段内在激活的飞轮时电机的转速曲线的比较；

图5b示出了在时间间隔内(以虚线示出)电机转速的标准曲线，以及在电机的整流器故障情况下电机的转速的实际曲线(实线)；和

图6示出了在电机的负载加载的情况下的转速曲线。

具体实施方式

图1中示出了一种用于测定通过飞轮111联接到内燃机112的电机114的运行状态的方法(参见图2)，电机借助于作用在电机114的皮带轮rs上的联接元件116由内燃机112驱动。

联接元件116在发动机侧与内燃机112的曲轴117作用联接。由于内燃机112的各个汽缸的工作循环，内燃机112以脉冲方式将扭矩输出到曲轴117。内燃机112的脉冲扭矩输出通常伴随着联接元件116的磨损，该磨损通过设置在电机上的飞轮元件111来减轻。为了调节车辆电源100中的电压，而提供有调节器120形式的计算单元118，其根据车辆电源100的电压调节电机114的励磁电流ierr。

为了能够基于可以在电机114中确测定的物理状态变量测定电机114的运行状态b，当电机114从内燃机112上退耦时是有利的。相应的运行状态b尤其是整流器106(参见图5)的运行状态-故障f和/或电机114的负载加载l(参见图6)。上述这些运行状态b对电机114的转速曲线ngen造成影响，其中影响转速的时间曲线ngen的部分只能在电机114与内燃机112退耦的时域内确定。这是因为，由于内燃机112和电机114之间的强制耦合，由相应的运行状态b引起的电机114的转速曲线ngen的变化在很大程度上被内燃机112的耦合质量平滑并因此不能在转速曲线ngen中测定。

因此，对电机114的空转阶段phfl的确切知识对于测定运行状态是至关重要的，因为由此能够以特别简单和可再现的方式测定电机的相应运行状态。可以基于对于空转阶段phfl来说特征化的扭矩曲线来确定空转阶段phfl，该扭矩曲线通常在时间上位于由内燃机112引起的电机114转速的转速波动的下降转速沿的区域中。电机114的时间上的转速曲线ngen通过电机的相信号121测定(参见图4)。另外，可以在电机上布置转速传感器119，其被设置为确定电机114的转速ngen并将转速传递到运算单元118。为了调节和执行该方法(参见图2)，计算单元118具有适合于调节和执行该方法的存储器118a和/或计算架构118b，其中计算机程序可以存储在存储器118a上。另外，计算单元还可以附加地或替代地具有用于执行该方法的相应硬件侧配置的集成电路。

为了利用发动机控制单元122检测和发送数据，还可以提供通信链路124(以虚线示出)。

还可以提供计算单元118，特别是调节器120，以执行下面描述的用于测定电机114的运行状态b的方法。在步骤e1中，确定电机114的转速的时间曲线ngen。如已经提到的，电机114的转速ngen可以或者通过相信号121(参见图4)或者通过多个相信号和/或通过转速传感器119(参见图1)测定。在步骤e2中，电机114的空转阶段phfl由转速ngen和分配给空转阶段phfl的下降转速沿126b(见图5和6)测定。在另外的步骤v中，在转速沿126b的时域中的转速曲线与转速沿的标准曲线126c进行比较，其中，相应的标准曲线被分配给相应的运行状态b1，即整流器107的故障f，或分配给相应的运行状态b2，即电机114的负载加载l。基于由转速ngen测定的转速沿126b与分配给相应的运行状态b的转速沿的相应标准曲线126c的偏差，在另一步骤b中推断出电机114的相应运行状态。

应当理解，除了上述运行状态之外，还可以基于上述方法测定电机的其他运行状态，其对电机114的转速曲线ngen具有特征性影响。这还包括这样的运行状态，在这些运行状态中，例如通过机械磨损等，例如轴承或电机的其他机械部件(未示出)的退化，电机114的转速曲线特征性地改变。

在图3中，电机114被类似于电路图地示出。在该示例中，电机114被示例地作为五相电机114示出。电机114具有定子110，定子具有五相定子绕组110a。变流器106具有多个电开关元件，在该示例中，这些电开关元件被设计为mosfet106a(金属氧化物半导体场效应晶体管)。mosfet在电路方面对应于晶体管和反向偏置的反向二极管。mosfet106a例如一方面通过汇流条连接到定子绕组110a，另一方面连接到直流电压端子103。

变流器106可以在电机114的发电机模式中作为整流器107运行。

在电机114的发电运行中，在定子绕组110a中产生五相交流电压，即所谓的相电压。通过调节器120对mosfet106a的适当时钟驱控，该五相交流电压被整流成直流电压。借助于该转换的直流电压，向电气系统122供应能量。

在图4中更详细地描述了由电机114的相信号121测定转速信号ngen。在图4的左侧纵坐标上是以每分钟转数表示的发电机的转速ngen，在右侧纵坐标上是以任意单位表示的相位电压，在图的横坐标上是以毫秒(ms)表示的时间。这些说明仅仅是说明性的，并非旨在将本发明限制于所述范围。此外，指定的范围基本上可以相应地扩展。

相信号121主要是电机114的定子侧相位110a的相电压121a之一。应当理解，为此基本上可以使用电机114的一个或多个相110a的每个任意相电压，但是也可以使用相应的相电流，从而由此测定电机114的转速信号ngen。原则上，当使用多于一个相电压时，可以实现转速信号ngen的相应更高的时间分辨率(未示出)。

在发电机的情况中，相电压121a以电流输出在第一近似中矩形地延伸。因此，相位电压121a具有脉冲p1，p2...pn，其中在直接相邻的脉冲p之间可以检测到平均相位时间或脉冲宽度tphase，其通常在脉冲p1，p2...pn的相应处测定。可以理解，通过根据脉冲p的上升沿a1，a2或下降沿d1，d2来测定相位时间tphase，可以相应地提高转速ngen的分辨率。因此，电机114的转速ngen由以下公式得出：

ngen＝60/(tphase*ppz)，

其中ngen是电机114的转速，单位为每分钟转数，ppz是电机的极对数。

相应根据相位脉冲p测定的转速ngen被示出为各个点的时间交错排列，并且在一时间间隔内的平均转速nμ被示出为图中的实线。

转速可以优选地以数字方式确定。通过对电机114的相信号121中的时间间隔tphase的测量，如所述那样，可以直接测定瞬时转速ngen以及在未激活飞轮111的情况中可以直接测定曲轴117的转速。一旦参数，如气缸数，传动比和电机114的极对数在检测周期中是已知的，那么调节器118就可以将固定数量的转速值存储在存储器中，例如存储在一个移位寄存器(未示出)中并且至少在振荡循环内测定分别一个最大和最小瞬时转速。最大和最小瞬时转速优选地是分别记录的时域内的峰值转速(局部最小值和/或最大值)。这些转速之间的差是由内燃机112引起的转速波动的量度，并因此是输出扭矩的量度。如上所述，为了更精确地测定转速，也可以检测几个转速波动循环。

图5a中示出了皮带轮的转速曲线nrs(虚线曲线)和电机114的转速ngen(实线)。皮带轮rs总是通过联接元件116与内燃机112的曲轴117强制联接，由此将开头已经描述的转速波动(其由内燃机112传递到皮带轮上)以转速曲线nrs明确标出。电机114具有空转阶段phfl，其中电机114与内燃机112退耦。这些自空转阶段phfl出现皮带轮rs的转速nrs的转速的或电机114的转速ngen的下降沿126a，126b的区域中。在皮带轮rs的转速nrs的转速的或电机114的转速ngen的上升沿124a，b的区域中，电机114相应由内燃机112驱动。

在图5b中，相对于图5a放大地示出了电机114的转速曲线ngen(实线)。该转速曲线叠加在标准曲线126c(以虚线示出)上，其中，标准曲线126c被分配给与整流器107的故障f相关联的电机114的运行状态b1。在电机114的转速ngen的下降沿126b的区域中叠加由相对于由内燃机112传输的转速波动(参见图5a)来说高频的转速波动nrippel。与整流器107的故障f相关联的该转速波动nrippel能够通过与标准曲线126c的比较中提取并由此推导出运行状态b1。可转速波动nrippel的测定可以或者通过从发电机转速中减去标准曲线126c实现或者标准曲线126c也可以用作阈值曲线s，并且然后在电机的转速ngen尤其在空转阶段phfl的时域中超过或者低于该阈值s时，可以推断出该整流器的故障f。顺便说一下，在空转阶段phfl的时域中重叠的转速波动的特征化的幅度或者该转速波动的频率此外可被用于诊断整流器的故障f并且由转速波动nrippel的频率和幅度可以推断出整流器107的给定损坏的类型、范围和时间上的进展以及推断出整流器107的与故障f相关的元件的数量。

图6中示出了电机114的第二运行状态b2，该第二运行状态与电机114的负载加载l相关联。如图6a所示，负载加载l在时间上基本恒定。然而，负载加载也可以具有不同的时间曲线形状(未示出)，其中，相应的负荷施加l(参照图6)被反映为在空转阶段phfl的区域中电机的转速ngen的特征化签名。如图5中已经说明的那样，以电机的负载加载l形式的运行状态b2通过在空转阶段phfl的时域中的转速沿126b与转速沿的标准曲线126c的比较测定。在此也可以通过从电机114的发电机转速ngen的下降转速沿126b中减去标准曲线126c来测定该比较，或者标准曲线126c可以被用作转速梯度的阈值sg，在其偏差时推断出电机114的相应的负载加载l。为了例如将运行状态b1与运行状态b2(参见图6)加以区分，在运行状态b1(参见图5)中转速波动的对于故障f来说典型的周期性被作为另外的标准来使用。运行状态的测定在以时间间隔z中实现，该时间间隔至少部分地对应于电机114的空转阶段phfl。