WO2011117135A2 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung einer aktuellen winkelposition eines drehbaren magnetischen bauteils in einem elektrischen antrieb - Google Patents

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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage
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    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/185—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using inductance sensing, e.g. pulse excitation

Definitions

  • the invention is based on a method for determining a current angular position of a rotatable magnetic component in an electric drive according to the preamble of independent claim 1 and a device for determining a current angular position of a rotatable magnetic member in an electric drive according to the preamble of the independent claim 7th
  • Variable speed drives based on synchronous machines are state of the art. In order to control the synchronous machine correctly, information about the current rotor angle must be available. The required uniqueness range depends on the number of pole pairs Zp of the motor. The rotor angle need only be clearly known within a range of 360 Zp. So it does not matter if the angle is x ° or x ° + (3607Zp).
  • the rotor angle is measured by means of an angle sensor.
  • a known possibility is the use of a transmitter magnet and an AMR angle sensor, ie an angle sensor which exploits an anisotropic magnetoresistive effect.
  • a distinction between a rotor angle of x ° and of x ° + 180 ° is thus not possible. Consequently, such an angle sensor can only be used for synchronous machines with an even pole pair number.
  • the AMR angle sensor can be combined with two Hall sensors.
  • the published patent application DE 102 48 060 A1 describes, for example, such a magnetic field sensor arrangement for an angle sensor and a method for operating such a sensor arrangement.
  • the magnetic field sensor arrangement described comprises an angle sensor, via which the current angular position of a rotatable magnetic component in a predetermined angular range can be measured.
  • At least two sensor elements are assigned to the angle sensor, via which the current magnetic field direction of the magnetic component can be measured, wherein the sensor elements are arranged in such a way that their axes characterizing the main measuring direction form an angle.
  • additional components in the form of sensor elements are required.
  • the rotor angle can be estimated by measuring electrical quantities. These two known effects can be exploited.
  • the voltage induced in the stator coils of the synchronous machine depends on the rotor angle.
  • the inductances of the stator coils may depend on the rotor angle.
  • the published patent application DE 10 2006 004 166 A1 describes a method and a circuit arrangement for estimating the rotor angle of a synchronous machine at standstill. According to the described
  • Circuit for sensorless rotation angle detection of a rotor of a synchronous machine described.
  • the method described determines the rotor angle by means of voltage pulses, it being assumed that the inductances of the stator coils of the synchronous machine depend approximately sinusoidally on the rotor angle. It is therefore possible in principle to do without an angle sensor and to estimate the rotor angle. However, these angle estimation methods require complex calculations, cause a noise and have a lower accuracy than when an angle sensor is used.
  • the inventive method for determining a current angular position of a rotatable magnetic member in an electric drive with the features of independent claim 1 has the advantage that a clearly measured with an angle sensor for a limited angular range current angle reading using the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic component is converted into a unique current angular position in an unrestricted angle range.
  • the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic component are determined by applying first test pulses to the electric drive and by evaluating resulting second test pulses, which are produced in the electric drive in response to the applied first test pulses.
  • the device according to the invention for determining a current angular position of a rotatable magnetic component in an electric drive with the features of independent claim 7 has the advantage that an evaluation and / or control unit is present, which via an interface unit information about a limited within a predetermined Angle range uniquely measured current angle measured value receives, wherein the evaluation and / or control unit converts the unambiguously measured for the restricted angle range current angle reading using the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic component in a unique current angular position in an unrestricted angle range.
  • the evaluation and / or control unit determines the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic component for an initial configuration by evaluating first test pulses, which are applied to the electric drive, and second test pulses, which in the electric drive in response to the applied first
  • Embodiments of the present invention advantageously allow the use of an angle sensor, which can measure uniquely angle values only in a limited angular range of, for example, 0 to 180 °, for odd pole pair electrical drives, which preferably comprise an odd pole pair, without additional components, such as Hall sensor elements. Since the measured angle values measured by the angle sensor using the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic component in unique angular positions in an unrestricted angle range, for example 0 to 360 °, is advantageously a very accurate determination of the current angular position with the angle sensor, which clearly measures the current angle measured value only within a predetermined restricted angle range, without additional components and without complicated calculations.
  • the angle sensor system includes, for example, an AMR angle sensor, which exploits an anisotropic magnetoresistive effect. Since such AMR angle sensors are produced inexpensively in large numbers, a simple and cost-effective implementation of the method and the device according to the invention is possible.
  • embodiments of the present invention have advantages in terms of space and cost by eliminating additional components compared to known from the prior art magnetic field sensor arrangements for an angle sensor. To generate and measure the test pulses, it is advantageously possible to use components which are already present for controlling the electrical drives and which can be embodied as part of the device according to the invention and / or can be coupled to the device according to the invention via corresponding interface units.
  • Embodiments of the invention can use the angle sensor, for example, the angle measurement of a rotor of the electric drive in Win from 0 to 180 °.
  • the direction - but not at odd number of pole pairs not the sign - of the rotor magnetic field, ie a d-axis of the rotor magnetic field can be determined.
  • the rotor has, for example, a pair of poles, wherein the position of the rotor magnetic field is determined by rotor-fixed magnetic axes, which are also referred to as the d-axis or q-axis.
  • the rotor magnetic field can for example be generated electrically by permanent magnets and / or by a winding.
  • stator of the electric drive so that a stator magnetic field is generated, which has the same direction as the rotor magnetic field. Since the current angle measured by the angle sensor is unique only to 180 °, it is not known at this time whether the signs of the rotor and the stator magnetic field are the same. So it is not known if the two magnetic fields add or subtract.
  • the magnetic fields add up the total magnetic field becomes relatively large and the soft magnetic material (iron) of the electric drive saturates relatively strongly.
  • the magnetic fields subtract the total magnetic field becomes relatively small and the iron hardly saturates. Due to the different saturation of the iron, the stator coils have different inductances in both cases.
  • the inductance is larger, the magnetic fields subtract. This is the negative d-direction into which a south pole of the rotor points.
  • This evaluation is executed only once in an initial configuration representing a standstill of the electric drive.
  • the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic component can be performed, for example, at each system start, in which the electric drive 5 is installed, so for example at every vehicle start.
  • the time interval between two angle measurements is so small that the angle changes by less than 90 ° even at the maximum speed of the synchronous machine in this time.
  • the zero position of the angle measured value of the angle measuring sensor system is advantageously determined in such a way that the measured angle measured value corresponds to
  • Angle of the d-axis of the rotor magnetic field corresponds.
  • the amount of voltage of the generated test pulses and the period of time for which the test pulses designed as voltage pulses are applied to the electric drive are preferably set so that the resulting currents are not so high,
  • Embodiments of the present invention may be used in any electric drive system when there is an angle sensor that uniquely measures a current angle reading only within a predetermined restricted angle range, and a current sensor, and the electric drive has an odd number of pole pairs.
  • it can be used in electric (servo) steering, in power tools with a synchronous machine or brushless DC machine, in a hybrid drive with a combination of internal combustion engine and electric drive, or in purely electrically driven vehicles.
  • the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic component are determined once for the respective initial configuration.
  • the computational effort for determining a current angular position can be significantly reduced.
  • the current angle measurement value which is unambiguous for the restricted angular range is cyclically measured, the actual angle measured value unambiguously measured for the respective initial configuration in the restricted angular range and the unambiguously determined angular position calculated therefrom in the unrestricted angle range after Calculation of the current angular position as an old angle measurement or old angular position, whereby the current angular position unique to the unrestricted angle range is calculated based on the old angular position and the old angle measurement and the current angle measurement unambiguously measured in the restricted angular range; Calculation of the current angular position, the measured current angle measured value and the current angular position determined therefrom as the old angle measured value or old angle p be saved.
  • Angular position is preferably measured in a fixed time grid with equidistant measuring times.
  • the first test pulses are generated in dependence on predetermined information and applied at predetermined drive times for a certain period of time to the electric drive, wherein the predetermined information includes a certain period of time and / or a certain voltage amount and / or a certain direction ,
  • the first test pulses can be used as voltage pulses for the given period of time
  • Amount of tension and corresponding predetermined directions to be given given control pulses are applied to stator coils of the electric drive, wherein at predetermined measurement times resulting second test pulses are measured and evaluated as current pulses, and wherein the predetermined measurement times have substantially equal time intervals to kor- responding activation times.
  • resulting second test pulses which are generated in response to first test pulses which have been applied to the synchronous machine at two successive drive times are used to determine a first total current pulse length resulting from a first drive time and a second drive time point resulting length of a second total current pulse, wherein the uniquely measured for the restricted angle range current angle measurement using the length of the first total current pulse and the length of the second total current pulse, which direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic member are determined, in a unique current angular position in the unrestricted angle range is converted.
  • the current angular position corresponds to the current angle measured by the angle sensor.
  • the current angle value is supplemented by a specific correction value.
  • the angle sensor unambiguously measures the current angle measured value within a predetermined restricted angle range of, for example, 0 to 180 °, then in this case a correction value of 180 ° is added to the measured current angle measured value in order to determine the current angular position.
  • the evaluation and / or control unit generates, for example, the first test pulses as a function of predetermined information as voltage pulses with the preceding test pulses. given voltage amount and corresponding predetermined directions themselves and puts them at predetermined activation times for a certain period of time via at least one interface unit directly to the electric drive.
  • the evaluation and / or control unit applies predetermined information for generating the first test pulses via at least one interface to a voltage generator, which generates the first test pulses in response to the predetermined information and at the predetermined activation times for the specific period of time to the electric Drive applies.
  • the evaluation and / or control unit receives second test pulses resulting from predetermined measurement times as current pulses via at least one
  • Interface unit directly from the electric drive and / or from a current measuring device and evaluates them.
  • the evaluation and / or control unit evaluates resulting second test pulses, which can be generated in response to first test pulses which are applied to the electric drive at two successive drive times, in order to determine a first drive time point Length of a first total current pulse and with respect to a second driving time resulting length of a second total current pulse, wherein the evaluation and / or control unit uniquely measured in the restricted angle range measured angle using the length of the first total current pulse and the length of the second total current pulse, from which direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic component can be determined, converted into a unique current angular position in the unrestricted angle range.
  • Embodiments of the present invention can be realized as a circuit, device, method, data processing program with program code means and / or as a computer program product. Accordingly, the present invention may be implemented entirely in hardware and / or software and / or a combination of hardware and / or software components. In addition, the present invention can be used as a computer program Product can be run on a computer usable storage medium with computer readable program code, whereby various computer-readable storage media such as hard disks, CD-ROMs, optical or magnetic storage elements, etc. can be used.
  • the computer usable or computer readable media may include, for example, electronic, magnetic, optical, electromagnetic infrared or semiconductor systems, devices, devices or distribution media.
  • the computer-readable media may include an electrical connection to one or more lines, a portable computer disk, a random access memory (RAM), a read only memory (ROM), an erasable and programmable read only memory (EPROM or flash memory)
  • RAM random access memory
  • ROM read only memory
  • the computer usable or computer readable medium may even be paper or other suitable medium on which the program is written and of which it is, for example by optical scanning of the paper or the other Medium is electrically detectable, then compiled, interpreted or if necessary processed in other ways and then stored in the computer memory.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an exemplary embodiment of a device according to the invention for determining the rotor position of a synchronous machine.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an angular position of the rotor of a synchronous machine.
  • Fig. 3 shows a schematic course of voltage pulses which are applied to stator coils of a synchronous machine.
  • 4 shows a schematic course of measured phase currents of the synchronous machine.
  • FIG. 5 shows a schematic profile of the total current resulting from the measured phase currents of the synchronous machine.
  • the illustrated embodiment of a device 20 for determining a current angular position of a rotatable magnetic component 12 in an electric drive 10 which in the illustrated embodiment has a synchronous machine 10 with a rotor 12, comprises an angle sensor 28 which unambiguously measures a current angle measurement value (pA Rk of the rotor 12 within a predetermined restricted angular range, which in the illustrated embodiment has 0 to 180 °.)
  • the illustrated electric drive or the synchronous machine 10 has an odd pole pair number Zp.
  • an evaluation and / or control unit 22 receives via an interface unit 22.4 information about the current angular measurement value c A R, k unambiguously measured in the restricted angular range and calculates this measured actual angle measurement value ( A MR, k using the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic rotor 12 in a unique current angular position cp k in a full angle range around.
  • the evaluation and / or control unit 22 determines the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic member 12 for an initial configuration by evaluating the first test pulses U a, U b, U c , which are applied to the synchronous machine of the electric drive 10, and second test pulses ⁇ - ⁇ , l 2 ,, lt., I c , which in the synchronous machine of the electric drive 10 in response to the applied first test pulses U a , U b , U c arise.
  • the evaluation and / or control unit 22 generates predetermined information which a certain period of time t Pu
  • CCAMR COS
  • the evaluation and / or control unit 22 transmits the predetermined information for generating the first test pulses U a , U, U c via at least one interface 22.4 to a voltage generator 24 which the first test pulses as voltage pulses U a , U, U c in response to generates the predetermined information and applies to the electric drive 10 at predetermined activation times for the specific time period t PU i s .
  • the functionality of the voltage generator 24 may be implemented as part of the evaluation and / or control unit 22, so that the evaluation and / or control unit 22, the first test pulses in response to the predetermined information U, tp U
  • the evaluation and / or control unit 22 in the illustrated embodiment receives second test pulses resulting from predetermined measurement times as current pulses l 2 via at least one interface unit 22.4 from a current measuring device 26, which resulting phase current pulses l a , l b , l c of the synchronous machine of the electric drive 10 measures and from the measured phase current pulses l a , l b , l c determines the total current pulses ⁇ 2 , and evaluates the resulting second test pulses, l 2 , l a , l b , l c out.
  • the functionality of the current measuring device 26 may be performed as part of the evaluation and / or control unit 22, so that the evaluation and / or control unit 22, the phase current pulses l a , l b , l c directly in the synchronous machine of electrical drive 10 measures, the total current pulses Ii, l 2 determines and evaluates.
  • the evaluation and / or control unit 22 has a computing unit 22.2 and a memory unit 22.6 in order to be able to execute required calculations and memory operations.
  • the rotatable magnetic component 12 embodied as a rotor comprises a pole pair 14 with a south pole 14.1 and a north pole 14.2.
  • d and q denote the rotor-fixed magnetic axes
  • a- and ⁇ denote the stator-fixed axes
  • ⁇ denotes the current angular position.
  • FIGS. 3 to 5 show typical curves of the amount of voltage U, the phase current impulse l a, l b, l c and the amount of current I.
  • the angle sensor 28 for uniquely measuring the current angular position CPAMR of the rotor 12 within the predetermined restricted angle range of 0 to 180 ° comprises at least one AMR angle sensor, which exploits an anisotropic magnetoresistive effect.
  • Fig. 2 shows an example of the structure of the rotor 12 with a pole pair 14 and the position of the rotor fixed magnetic axes d and q.
  • d and q axes there are correspondingly several d and q axes.
  • the evaluation and / or control unit 22 reads the current angle measured value c A MR, k measured by the angle sensor 28, wherein the zero position of the angular position cp k is set such that this is the angle of the d axis.
  • the determination, described below, of the direction and sign of the magnetic field of the rotatable magnetic rotor 12 is executed only once when starting the electric drive 10 designed as a synchronous machine at standstill.
  • a definite current angle measured value ⁇ A R , k it is ensured that the time interval between two angle measurements is so small that the angular position ⁇ ⁇ is also at maximum speed of the synchronous machine 10 in this
  • first voltage pulses U a , U b are applied to the stator coils for a time period of t Pu
  • S are set so that resulting currents are not so high that the electric drive 10 or the control electronics can be damaged, but high enough that the currents with the current sensor 26th of the electric drive 10 can be measured with sufficient accuracy.
  • phase currents l a , l b , l c which arise in response to the voltage applied to the first drive time t k voltage pulses U a , U b , U c , the height of the resulting first total current pulse I-, calculated with equation (2).
  • the value of the total current pulse Ii corresponds to the length of the current vector, which is calculated from the three phase currents I a , Lt > , I c .
  • the phase currents I a , I b , I c are measured at the end of the voltage pulse or shortly before.
  • second voltage pulses U a , U b , U c are applied to the stator coils for a time period of t Pu s with predetermined directions according to equation (3).
  • the current angular position ⁇ p k and the measured angle measurement value (p AM R , k are stored in the memory 22.6.)
  • the angle measurement value AMR.k measured cyclically, ideally in a fixed time grid with equidistant angle measurement times ti to t n .
  • ⁇ Pk ⁇ Pk - ⁇ + ⁇ PAMRJc - ⁇ PAURJ C -1 ( 4 )
  • Hnax then has the current angular position q> k of Ro ⁇ gate 12, the border exceeded 0 ° / 180 °, where max is the maximum possible angular velocity of the synchronous machine. Therefore, the actual angular position cp k of the rotor 12 for this case is calculated from Equation (5).
  • FIGS. 3 to 5 show typical curves of the amount of voltage U, the phase current impulse l a, lb, l c and the amount of current I. It is clearly seen that the first overall current pulse l- ⁇ is higher than the second total current pulse I 2. Thus, the first voltage pulses were thus applied in the direction of the permanent magnet north pole, so that superimpose positive stator and rotor field.
  • Embodiments of the present invention can be used in any electric drive, if an angle sensor, which clearly measures the current angular position of the rotor within a predetermined restricted angle range, and current sensors are present and the electric drive has an odd number of pole pairs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb (10), der eine ungerade Polpaarzahl aufweist, wobei ein aktueller Winkelmesswert (φAMR,k) des drehbaren Bauteils mit einer Winkelsensorik (28) gemessen wird, welche den aktuellen Winkelmesswert (φAMR,k) nur innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, und eine zugehörige Vorrichtung (20) zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb (10). Erfindungsgemäß wird der für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessene aktuelle Winkelmesswert (φAMR,k) unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils in eine eindeutige aktuelle Winkelposition in einem uneingeschränkten Winkelbereich umgerechnet, wobei Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils (12) durch Anlegen von ersten Testimpulsen (Ua, Ub, Uc) an den elektrischen Antrieb (10) und durch Auswerten von resultierenden zweiten Testimpulsen (I1, I2, Ia, Ib, Ic), welche im elektrischen Antrieb (10) in Reaktion auf die angelegten ersten Testimpulsen (Ua, Ub, Uc) entstehen, ermittelt werden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und von einer Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 7.
Drehzahlvariable Antriebe auf Basis von Synchronmaschinen sind Stand der Technik. Um die Synchronmaschine korrekt ansteuern zu können, müssen Informationen über den aktuellen Rotorwinkel vorliegen. Dabei ist der erforderliche Eindeutigkeitsbereich von der Polpaarzahl Zp des Motors abhängig. Der Rotorwinkel muss nur innerhalb eines Bereichs der Größe 360 Zp eindeutig bekannt sein. Es ist also unerheblich, ob der Winkel x° oder x°+(3607Zp) beträgt.
Üblicherweise wird der Rotorwinkel mit Hilfe eines Winkelsensors gemessen. Eine bekannte Möglichkeit ist der Einsatz eines Gebermagneten und eines AMR- Winkelsensors, d.h. eines Winkelsensors, der einen anisotropen magnetoresisti- ven Effekt ausnützt. Damit kann jedoch kein in einem uneingeschränkten Winkelbereich von 0 bis 360° eindeutiger Rotorwinkel gemessen werden, sondern nur ein in einem eingeschränkten Winkelbereich von 0 bis 180° eindeutiger Rotorwinkel. Eine Unterscheidung zwischen einem Rotorwinkel von x° und von x°+180° ist damit nicht möglich. Eine solche Winkelsensorik ist folglich nur für Synchronmaschinen mit einer geraden Polpaarzahl einsetzbar. Um ein im uneingeschränkten Winkelbereich von 0 bis 360° eindeutiges Winkelsignal zu erhalten, kann der AMR-Winkelsensor mit zwei Hall-Sensoren kombiniert werden. In der Offenlegungsschrift DE 102 48 060 A1 werden beispielsweise eine solche Magnetfeldsensoranordnung für einen Winkelsensor und ein Ver- fahren zum Betrieb einer derartigen Sensoranordnung beschrieben. Die beschriebene Magnetfeldsensoranordnung umfasst einen Winkelsensor, über den die aktuelle Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem vorgegebenen Winkelbereich messbar ist. Dem Winkelsensor sind zumindest zwei Sensorelemente zugeordnet, über welche die aktuelle Magnetfeldrichtung des magnetischen Bauteils messbar ist, wobei die Sensorelemente in der Weise zueinander angeordnet sind, dass ihre die Hauptmessrichtung kennzeichnenden Achsen einen Winkel einschließen. Bei der beschriebenen Magnetfeldsensoranordnung sind jedoch zusätzliche Bauelemente in Form von Sensorelementen erforderlich.
Zudem ist es bekannt, dass der Rotorwinkel durch Messung elektrischer Größen geschätzt werden kann. Dazu können zwei bekannte Effekte ausgenutzt werden. So ist beispielsweise die in den Statorspulen der Synchronmaschine induzierte Spannung vom Rotorwinkel abhängig. Des Weiteren können die Induktivitäten der Statorspulen je nach Bauform der Synchronmaschine vom Rotorwinkel abhängen.
So werden beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2006 004 166 A1 ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Schätzung des Rotorwinkels einer Synchronmaschine im Stillstand beschrieben. Entsprechend dem beschriebenen
Verfahren werden drei kurze Spannungspulse in verschiedene Richtungen an die Statorwicklungen der Synchronmaschine angelegt. Aus den gemessenen Stromanstiegen wird dann der Rotorwinkel bestimmt. In der Patentschrift AT 397 727 B wird beispielsweise ein Verfahren und eine
Schaltungsanordnung zur sensorlosen Drehwinkelerfassung eines Rotors einer Synchronmaschine beschrieben. Das beschriebene Verfahren bestimmt mittels Spannungspulsen den Rotorwinkel, wobei angenommen wird, dass die Induktivitäten der Statorspulen der Synchronmaschine näherungsweise sinusförmig vom Rotorwinkel abhängen. Es ist also prinzipiell möglich, ohne Winkelsensor auszukommen und den Rotorwinkel zu schätzen. Diese Winkelschätzmethoden erfordern aber aufwändige Berechnungen, verursachen eine Geräuschentwicklung und weisen eine schlechtere Genauigkeit auf, als wenn eine Winkelsensorik eingesetzt wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein mit einer Winkelsensorik für einen eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessener aktueller Winkelmesswert unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils in eine eindeutige aktuelle Winkelposition in einem uneingeschränkten Winkelbereich umgerechnet wird. Hierbei werden Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils durch Anlegen von ersten Testimpulsen an den elektrischen Antrieb und durch Auswerten von resultierenden zweiten Testimpulsen ermittelt, welche im elektrischen Antrieb in Reaktion auf die angelegten ersten Testimpulse entstehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Auswerte- und/oder Steuereinheit vorhanden ist, welche über eine Schnittstelleneinheit Informationen über einen innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert empfängt, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit den für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils in eine eindeutige aktuelle Winkelposition in einem uneingeschränkten Winkelbereich umrechnet. Hierbei ermittelt die Auswerte- und/oder Steuereinheit Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils für eine Initialkonfiguration durch Auswerten von ersten Testimpulsen, welche an den elektrischen Antrieb angelegt sind, und von zweiten Test- impulsen, welche im elektrischen Antrieb in Reaktion auf die angelegten ersten
Testimpulse entstehen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise den Einsatz einer Winkelsensorik, welche Winkelmesswerte nur in einem eingeschränkten Winkelbereich von beispielsweise 0 bis 180° eindeutig messen kann, für elektrische Antriebe mit ungerader Polpaarzahl, die vorzugsweise eine Synchronmaschine mit ungerader Polpaarzahl umfassen, ohne zusätzliche Bauelemente, wie beispielsweise Hall-Sensorelemente. Da die von der Winkelsensorik gemessenen Winkelmesswerte unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils in eindeutige Winkelpositionen in einem uneingeschränkten Winkelbereich von beispielsweise 0 bis 360° umgerechnet werden, ist in vorteilhafter Weise eine sehr genaue Bestimmung der aktuellen Winkelposition mit der Winkelsensorik, welche den aktuellen Winkelmesswert nur innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, ohne zusätzliche Bauelemente und ohne aufwändige Berechnungen möglich. Da Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils nur einmal für jede Initialkonfiguration bestimmt werden müssen, und die nachfolgende Berechnung der aktuellen Winkelposition einfach und schnell ausgeführt werden kann, ist der Rechenaufwand bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schätzverfahren, die keine Winkelsensorik verwenden, in vorteilhafter Weise sehr gering. Die Winkelsensorik umfasst beispielsweise einen AMR-Winkelsensor, welcher einen anisotropen magnetoresistiven Effekt ausnützt. Da solche AMR-Winkelsensoren kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden, ist eine einfache und kostengünstige Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Zudem weisen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch den Wegfall von zusätzlichen Bauteilen Vorteile bezüglich Bauraum und Kosten im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Magnetfeldsensoranordnungen für eine Winkelsensorik auf. Zum Erzeugen und Messen der Testimpulse können in vorteilhafter Weise ohnehin zur Steuerung der elektrischen Antriebe vorhandene Bauelemente verwendet werden, die als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt und/oder über entsprechende Schnittstelleneinheiten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gekoppelt werden können.
Ausführungsformen der Erfindung können mit Hilfe der Winkelsensorik beispielsweise den Winkelmesswert eines Rotors des elektrischen Antriebs im Win- kelbereich von 0 bis 180° eindeutig messen. Damit kann die Richtung - aber bei ungerader Polpaarzahl nicht das Vorzeichen - des Rotor-Magnetfeldes, d.h. einer d-Achse des Rotormagnetfelds bestimmt werden. Der Rotor weißt beispielsweise ein Polpaar auf, wobei die Lage des Rotor-Magnetfelds durch rotorfeste magnetischen Achsen vorgegeben wird, die auch als d-Achse bzw. q-Achse bezeichnet werden. Bei der Verwendung von nur einem Polpaar gibt es genau eine d- und eine q-Achse. Bei Rotoren mit mehreren Polpaaren gibt es entsprechend mehrere d- und q-Achsen. Das Rotor-Magnetfeld kann beispielsweise von Permanentmagneten und/oder durch eine Wicklung elektrisch erzeugt werden.
Nun ist es möglich, den Stator des elektrischen Antriebs so zu bestromen, dass ein Stator-Magnetfeld erzeugt wird, das dieselbe Richtung aufweist, wie das Rotor-Magnetfeld. Da der von der Winkelsensorik gemessene aktuelle Winkelmesswert nur auf 180° eindeutig ist, ist zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt, ob die Vorzeichen des Rotor- und des Stator-Magnetfelds gleich sind. Es ist also nicht bekannt, ob die beiden Magnetfelder sich addieren oder subtrahieren. Wenn sich die Magnetfelder addieren, dann wird das Gesamtmagnetfeld relativ groß und das weichmagnetische Material (Eisen) des elektrischen Antriebs sättigt relativ stark. Wenn sich die Magnetfelder subtrahieren, dann wird das Gesamtmagnetfeld relativ klein und das Eisen sättigt kaum. Aufgrund der unterschiedlichen Sättigung des Eisens haben die Statorspulen in beiden Fällen unterschiedliche Induktivitäten. Addieren sich die Felder, so ist die Sättigung stärker und damit die Induktivität kleiner und folglich der Stromanstieg steiler. Werden also an die Statorspulen nacheinander ein positiver und ein negativer Spannungspuls in d- Richtung angelegt, dann ist die Anstiegsgeschwindigkeit des Statorstroms bei beiden Spannungspulsen unterschiedlich. Aus der Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms kann dann auf die Induktivität und damit auf das Vorzeichen des Rotormagnetfeldes geschlossen werden. Damit wird es möglich zu entscheiden, welches die positive und welches die negative d-Richtung des Rotormagnetfeldes ist. In der Richtung mit stärkerem Stromanstieg ist die Induktivität kleiner, die Magnetfelder addieren sich also. Dies ist die positive d-Richtung, in die ein Nordpol des Rotors zeigt. In der entgegengesetzten Richtung ist die Induktivität größer, die Magnetfelder subtrahieren sich. Dies ist die negative d-Richtung, in die ein Südpol des Rotors zeigt. Diese Auswertung wird nur einmal bei einer Initialkonfiguration ausgeführt, die einen Stillstand des elektrischen Antriebs repräsentiert. So können Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils beispielsweise bei jedem Systemstart ausgeführt werden, in welches der elektrische Antrieb 5 eingebaut ist, also beispielsweise bei jedem Fahrzeugstart. Um danach stets einen eindeutigen Winkelmesswert zu erhalten wird sichergestellt, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei Winkelmessungen so klein ist, dass sich der Winkel auch bei Maximaldrehzahl der Synchronmaschine in dieser Zeit um weniger als 90° ändert. Die Nulllage des Winkelmesswerts der Winkelmesssensorik wird in l o vorteilhafter Weise so festgelegt, dass der gemessene Winkelmesswert dem
Winkel der d-Achse des Rotormagnetfelds entspricht. Der Spannungsbetrag der erzeugten Testimpulse und die Zeitdauer, für welche die als Spannungsimpulse ausgeführten Testimpulse an den elektrischen Antrieb angelegt werden, werden vorzugsweise so vorgegeben, dass die resultierenden Ströme nicht so hoch sind,
15 dass der elektrische Antrieb und/oder eine zugehörige Elektronik geschädigt werden können, aber hoch genug sind, so dass die Ströme mit der Strommess- sensorik des elektrischen Antriebs ausreichend genau gemessen werden können.
20 Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in jedem System mit elektrischem Antrieb eingesetzt werden, wenn eine Winkelsensorik, welche einen aktuellen Winkelmesswert nur innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, und eine Stromsensorik vorhanden sind, und der elektrische Antrieb eine ungerade Anzahl von Polpaaren aufweist.
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So ist der Einsatz beispielsweise in einer elektrischen (Servo-)Lenkung, in Elekt- rowerkzeugen mit Synchronmaschine bzw. bürstenloser Gleichstrommaschine, in einem Hybridantrieb mit einer Kombination aus Verbrennungsmotor und elektrischem Antrieb oder in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen möglich.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb sowie der 35 im unabhängigen Patentanspruch 7 angegebenen Vorrichtung zur Ermittlung ei- ner aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils einmalig für die jeweilige Initialkonfiguration bestimmt werden. Dadurch kann der Rechenaufwand zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition deutlich reduziert werden. Nach der Bestimmung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils wird der für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutige aktuelle Winkelmesswert zyklisch gemessen, wobei der für die jeweilige Initialkonfiguration im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessene aktuelle Winkelmesswert und die daraus berechnete eindeutige aktuelle Winkelposition im uneingeschränkten Winkelbereich nach der Berechnung der aktuellen Winkelposition als alter Winkelmesswert bzw. alte Winkelposition gespeichert werden, wobei die für den un- eingeschränkten Winkelbereich eindeutige aktuelle Winkelposition basierend auf der alten Winkelposition und dem alten Winkelmesswert und dem im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert berechnet wird, und wobei nach der Berechnung der aktuellen Winkelposition, der gemessene aktuelle Winkelmesswert und die daraus ermittelte aktuelle Winkel- position als alter Winkelmesswert bzw. alte Winkelposition gespeichert werden.
Das bedeutet, dass die„alten" gemessenen Winkelmesswerte bzw. berechneten Winkelpositionen bei der zu einem nachfolgenden Zeitpunkt durchgeführten Berechnung der aktuellen Winkelposition wieder verwendet werden, wobei zu späteren Zeitpunkten keine weiter Erzeugung bzw. Auswertung von Testimpulsen zur Berechnung der aktuellen Winkelposition durchgeführt wird. Die aktuelle
Winkelposition wird vorzugsweise in einem festen Zeitraster mit äquidistanten Messzeitpunkten gemessen.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die ersten Testimpulse in Abhängigkeit von vorgegebenen Informationen erzeugt und zu vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten für eine bestimmte Zeitdauer an den elektrischen Antrieb angelegt, wobei die vorgegebenen Informationen eine bestimmte Zeitdauer und/oder einen bestimmten Spannungsbetrag und/oder eine bestimmte Richtung umfassen. So können die ersten Testimpulse beispiels- weise für die bestimmte Zeitdauer als Spannungsimpulse mit dem vorgegebenen
Spannungsbetrag und korrespondierenden vorgegebenen Richtungen zu vorge- gebenen Ansteuerungszeitpunkten an Statorspulen des elektrischen Antriebs angelegt werden, wobei zu vorgegebenen Messzeitpunkten resultierende zweite Testimpulse als Stromimpulse gemessen und ausgewertet werden, und wobei die vorgegebenen Messzeitpunkte im Wesentlichen gleiche Zeitabstände zu kor- respondierenden Ansteuerungszeitpunkten aufweisen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden resultierende zweite Testimpulse, welche in Reaktion auf erste Testimpulse erzeugt werden, welche an zwei aufeinanderfolgenden Ansteuerungszeitpunkten an die Synchronmaschine angelegt wurden, zur Ermittlung einer bezüglich eines ersten Ansteuerungszeitpunkts resultierenden Länge eines ersten Gesamtstromimpulses und einer bezüglich eines zweiten Ansteuerungszeitpunkts resultierenden Länge eines zweiten Gesamtstromimpulses ausgewertet, wobei der für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessene aktuelle Winkelmesswert unter Verwendung der Länge des ersten Gesamtstromimpulses und der Länge des zweiten Gesamtstromimpulses, aus welchen Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils bestimmt werden, in eine eindeutige aktuelle Winkelposition im uneingeschränkten Winkelbereich umgerechnet wird. Ist die zum ersten Messzeitpunkt ermittelte Länge des resultieren- den ersten Gesamtstromimpulses beispielsweise größer oder gleich der zum zweiten Messzeitpunkt ermittelten Länge des resultierenden zweiten Gesamtstromimpulses, dann entspricht die aktuelle Winkelposition dem von der Winkel- sensorik gemessenen aktuellen Winkelmesswert. Ist die zum ersten Messzeitpunkt ermittelte Länge des resultierenden ersten Gesamtstromimpulses jedoch kleiner als die zum zweiten Messzeitpunkt ermittelte Länge des resultierenden zweiten Gesamtstromimpulses, dann entspricht die aktuelle Winkelposition nicht dem von der Winkelsensorik gemessenen aktuellen Winkelmesswert. In diesem Fall wird der aktuelle Winkelmesswert um einen bestimmten Korrekturwert ergänzt. Misst die Winkelsensorik den aktuellen Winkelmesswert innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs von beispielsweise 0 bis 180° eindeutig, dann wird in diesem Fall ein Korrekturwert von 180° zum gemessenen aktuellen Winkelmesswert addiert, um die aktuelle Winkelposition zu ermitteln.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt die Auswerte- und/oder Steuereinheit beispielsweise die ersten Testimpulse in Abhängigkeit von vorgegebenen Informationen als Spannungsimpulse mit dem vor- gegebenen Spannungsbetrag und korrespondierenden vorgegebenen Richtungen selbst und legt diese zu vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten für eine bestimmte Zeitdauer über mindestens eine Schnittstelleneinheit direkt an den elektrischen Antrieb an. Alternativ legt die Auswerte- und/oder Steuereinheit vor- gegebene Informationen zur Erzeugung der ersten Testimpulse über mindestens eine Schnittstelle an einen Spannungsgenerator an, welcher die ersten Testimpulse in Reaktion auf die vorgegebenen Informationen erzeugt und zu den vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten für die bestimmte Zeitdauer an den elektrischen Antrieb anlegt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung empfängt die Auswerte- und/oder Steuereinheit zu vorgegebenen Messzeitpunkten resultierende zweite Testimpulse als Stromimpulse über mindestens eine
Schnittstelleneinheit direkt vom elektrischen Antrieb und/oder von einer Strom- messeinrichtung und wertet diese aus.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wertet die Auswerte- und/oder Steuereinheit resultierende zweite Testimpulse, welche in Reaktion auf erste Testimpulse erzeugbar sind, welche an zwei aufeinan- derfolgenden Ansteuerungszeitpunkten an den elektrischen Antrieb angelegt sind, zur Ermittlung einer bezüglich eines ersten Ansteuerungszeitpunkts resultierenden Länge eines ersten Gesamtstromimpulses und einer bezüglich eines zweiten Ansteuerungszeitpunkts resultierenden Länge eines zweiten Gesamtstromimpulses aus, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit den im einge- schränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert unter Verwendung der Länge des ersten Gesamtstromimpulses und der Länge des zweiten Gesamtstromimpulses, aus welchen Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils bestimmbar sind, in eine eindeutige aktuelle Winkelposition im uneingeschränkten Winkelbereich umrechnet.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können als Schaltung, Vorrichtung, Verfahren, Datenverarbeitungsprogramm mit Programmcodemitteln und/oder als Computerprogrammprodukt realisiert werden. Entsprechend kann die vorliegende Erfindung vollständig als Hardware und/oder als Software und/oder als Kombination aus Hardware- und/oder Softwarekomponenten ausgeführt werden. Zudem kann die vorliegende Erfindung als Computerprogramm- Produkt auf einem computernutzbaren Speichermedium mit computerlesbarem Programmcode ausgeführt werden, wobei verschiedene computerlesbare Speichermedien wie Festplatten, CD-ROMs, optische oder magnetische Speicherelemente usw. benutzt werden können.
Die computernutzbaren oder computerlesbaren Medien können beispielsweise elektronische, magnetische, optische, elektromagnetische Infrarot- oder Halbleitersysteme, Vorrichtungen, Geräte oder Verbreitungsmedien umfassen. Zudem können die computerlesbaren Medien eine elektrische Verbindung mit einer oder mehreren Leitungen, eine tragbare Computerdiskette, einen Speicher mit direktem Zugriff (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen löschbaren und programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM oder Flashspeicher, eine optischen Leitung und eine tragbare CD-ROM umfassen. Das computernutzbare oder das computerlesbare Medium kann sogar Papier oder ein anderes geeignetes Medium sein, auf welchem das Programm geschrieben ist, und von welchem es, beispielsweise durch einen optischen Abtastvorgang des Papiers oder des anderen Mediums elektrisch erfassbar ist, dann kompiliert, interpretiert oder falls erforderlich auf andere Weise verarbeitet und dann im Computerspeicher gespeichert werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Rotorlagenbestimmung einer Synchronmaschine.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Winkellage des Rotors einer Synchronmaschine.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Verlauf von Spannungsimpulsen, welche an Statorspulen einer Synchronmaschine angelegt werden. Fig. 4 zeigt einen schematischen Verlauf von gemessenen Phasenströmen der Synchronmaschine.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Verlauf des Gesamtstroms, der aus den ge- messenen Phasenströmen der Synchronmaschine resultiert.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils 12 in einem elektrischen Antrieb 10, der im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Synchronmaschine 10 mit einem Rotor 12 aufweist, eine Winkelsensorik 28, welche einen aktuellen Winkelmesswert (pA R.k des Rotors 12 innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel 0 bis 180° aufweist. Zudem weist der dargestellte elektrische Antrieb bzw. die Synchronmaschine 10 eine ungerade Polpaarzahl Zp auf.
Erfindungsgemäß empfängt eine Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 über eine Schnittstelleneinheit 22.4 Informationen über den im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert c A R,k und rechnet diesen gemessenen aktuellen Winkelmesswert ( AMR,k unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Rotors 12 in eine eindeutige aktuelle Winkelposition cpk in einem uneingeschränkten Winkelbereich um. Hierbei ermittelt die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils 12 für eine Initialkonfiguration durch Auswerten von ersten Testimpulsen Ua, Ub, Uc, welche an die Synchronmaschine des elektrischen Antriebs 10 angelegt sind, und von zweiten Testimpulsen \-\ , l2, , lt., Ic, welche in der Synchronmaschine des elektrischen Antriebs 10 in Reaktion auf die angelegten ersten Testimpulse Ua, Ub, Uc entstehen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 vorgegebene Informationen, welche eine bestimmte Zeitdauer tPu|S und/oder einen bestimmten Spannungsbetrag U und/oder eine bestimmte Richtung COS(CPAMR), COS(9AMR-120°), cos(cpAMR-240°), cos((pAMR-180o), cos((pAMR-120o- 180°), cos(cpAMR-240o-180°) umfassen. Die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 überträgt die vorgegebenen Informationen zur Erzeugung der ersten Testimpulse Ua, U , Uc über mindestens eine Schnittstelle 22.4 an einen Spannungsgenerator 24, welcher die ersten Testimpulse als Spannungsimpulse Ua, U , Uc in Reaktion auf die vorgegebenen Informationen erzeugt und zu vorgegebenen Ansteue- rungszeitpunkten für die bestimmte Zeitdauer tPUis an den elektrischen Antrieb 10 anlegt. Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform kann die Funktionalität des Spannungsgenerators 24 als Teil der Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 ausgeführt werden, so dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 die ersten Testimpulse in Abhängigkeit von den vorgegebenen Informationen U, tpU|S, COS(CPAMR), cos((pAMR- 20o), cos(<pAMR-240°), cos((pAMR-180°), cos((pAMR-1200- 180°), COS(CPAMR-240o-180°) als Spannungsimpulse Ua, Ub, Uc mit dem vorgegebenen Spannungsbetrag U und korrespondierenden vorgegebenen Richtungen COS(9AMR), cos(cpAMR-120o), cos((pAMR-2400), cos(cpAMR-1800), cos(cpAMR-1200-1800), cos((pAMR-240°-180°) selbst erzeugt und zu vorgegebenen Ansteuerungszeitpunk- ten für die bestimmte Zeitdauer tPu|S über mindestens eine Schnittstelleneinheit 22.4 direkt an den als Synchronmaschine ausgeführten elektrischen Antrieb 10 anlegt.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, empfängt die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 im dargestellten Ausführungsbeispiel zu vorgegebenen Messzeitpunkten resultierende zweite Testimpulse als Stromimpulse l2 über mindestens eine Schnittstelleneinheit 22.4 von einer Strommesseinrichtung 26, welche resultierende Phasenstromimpulse la, lb, lc der Synchronmaschine des elektrischen Antriebs 10 misst und aus den gemessenen Phasenstromimpulsen la, lb, lc die Gesamtstromimpulse \ \2 bestimmt, und wertet die resultierenden zweiten Testimpulse , l2, la, lb, lc, aus. Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform kann die Funktionalität der Strommesseinrichtung 26 als Teil der Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 ausgeführt werden, so dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 die Phasenstromimpulse la, lb, lc direkt in der Synchronmaschine des elektrischen Antriebs 10 misst, die Gesamtstromimpulse Ii, l2 bestimmt und auswertet.
Zudem weist die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 eine Recheneinheit 22.2 und eine Speichereinheit 22.6 auf, um erforderliche Berechnungen und Speichervorgänge ausführen zu können. Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, umfasst das als Rotor ausgeführte drehbare magnetische Bauteil 12 ein Polpaar 14 mit einem Südpol 14.1 und einem Nordpol 14.2. In Fig. 2 bezeichnen d und q die rotorfesten magnetischen Achsen so- wie a- und ß die ständerfesten Achsen und φ bezeichnet die aktuelle Winkelposition.
Fig. 3 bis 5 zeigen typische Verläufe des Spannungsbetrags U, der Phasen- stromimpulse la, lb, lc und des Strombetrags I.
Für die folgende Funktionsbeschreibung wird stets angenommen, dass die elektrische Maschine als 3-phasige Synchronmaschine 10 mit einer ungeraden Anzahl von Polpaaren ausgeführt ist. Es kann analog auch für jede andere Phasenanzahl angewendet werden. Für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es unerheblich, ob das Magnetfeld des als Rotor ausgeführten drehbaren magnetischen Bauteils 12 von Permanentmagneten oder durch eine Wicklung elektrisch erzeugt wird. Die Winkelsensorik 28 zur eindeutigen Messung der aktuellen Winkelposition CPAMR des Rotors 12 innerhalb des vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs von 0 bis 180° umfasst mindestens einen AMR- Winkelsensor, welcher einen anisotropen magnetoresistiven Effekt ausnützt.
Mit Hilfe der Winkelsensorik 28 kann der aktuelle Winkelmesswert ΨΑΜ ,Κ im Winkelbereich von 0 bis 180° eindeutig gemessen werden. Damit kann die Richtung - aber bei ungerader Polpaarzahl nicht das Vorzeichen - des Magnetfeldes des Rotors 14, d.h. der d-Achse, bestimmt werden. Fig. 2 zeigt beispielhaft den Aufbau des Rotors 12 mit einem Polpaar 14 und die Lage der rotorfesten magnetischen Achsen d und q. In diesem Ausführungsbeispiel gibt es genau eine d- Achse und eine q-Achse. Bei Rotoren mit mehreren Polpaaren gibt es entsprechend mehrere d- und q-Achsen. Nun ist es möglich, den Stator so zu bestro- men, dass ein Stator-Magnetfeld erzeugt wird, das dieselbe Richtung hat wie das
Rotor-Magnetfeld. Da der gemessene aktuelle Winkelmesswert < AMR,k nur im Bereich von 0 bis 180° eindeutig ist, ist zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt, ob die Vorzeichen des Rotor- und des Statormagnetfeldes gleich sind. Es ist also nicht bekannt, ob sich die beiden Magnetfelder addieren oder subtrahieren. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren liest die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 den von der Winkelsensorik 28 gemessenen aktuellen Winkelmesswert c AMR,k ein, wobei die Nulllage der Winkelposition cpk so festgelegt ist, dass dies der Winkel der d-Achse ist. Die nachfolgend beschriebene Bestim- mung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Rotors 12 wird nur einmal beim Start des als Synchronmaschine ausgeführten elektrischen Antriebs 10 im Stillstand ausgeführt. Um danach stets einen eindeutigen aktuellen Winkelmesswert < A R,k zu erhalten wird sichergestellt, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei Winkelmessungen so klein ist, dass sich die Winkelposition φκ auch bei Maximaldrehzahl der Synchronmaschine 10 in dieser
Zeit um weniger als 90° ändert.
Zu einem ersten Ansteuerzeitpunkt tk werden erste Spannungsimpulse Ua, Ub, an die Statorspulen für eine Zeitdauer von tPu|S mit vorgegebenen Richtungen gemäß Gleichung (1 ) angelegt.
Figure imgf000016_0003
Figure imgf000016_0001
Somit gilt zum ersten Ansteuerzeitpunkt tk: Ua= U cos(cpAMR,k)> U = U cos((pA R,k- 120°), Uc= U cos((pA R,k-240°). Hier werden der positive Spannungsbetrag U und die Zeitdauer tpU|S so vorgegeben, dass resultierende Ströme nicht so hoch ist, dass der elektrische Antrieb 10 oder die Steuerelektronik geschädigt werden können, aber hoch genug sind, dass die Ströme mit der Stromsensorik 26 des elektrischen Antriebs 10 ausreichend genau gemessen werden können.
Aus den zu einem ersten Messzeitpunkt t! gemessenen Phasenströmen la, lb, lc, welche in Reaktion auf die zum ersten Ansteuerzeitpunkt tk angelegten Spannungsimpulsen Ua, Ub, Uc entstehen, wird die Höhe des resultierenden ersten Gesamtstromimpulses I-, mit Gleichung (2) berechnet.
Figure imgf000016_0002
(2) Der Wert des Gesamtstromimpulses Ii entspricht der Länge des Stromzeigers, die aus den drei Phasenströmen la, lt>, lc berechnet wird. Die Phasenströme la, lb, lc werden am Ende des Spannungspulses bzw. kurz davor gemessen.
Zu einem nachfolgenden zweiten Ansteuerzeitpunkt tk+1 werden zweite Spannungsimpulse Ua, Ub, Uc an die Statorspulen für eine Zeitdauer von tPuis mit vorgegebenen Richtungen gemäß Gleichung (3) angelegt.
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0003
Somit gilt zum zweiten Ansteuerzeitpunkt W- Ua= (-U) cos((pAMR k)=U cos((j>AMR.k 180°), Ub= (-U) cos(cpAM uRR,,kk--112200°o))= U cos(9AMR,k-1200-1800), Uc= (-U) cos(cpAMR,k- 240°)= U cos(9AMR,k-240o-180°). Aus den zum zweiten Messzeitpunkt t2 gemessenen Phasenströmen la, lb, lc, welche in Reaktion auf die zum zweiten Ansteuerzeitpunkt tk+1 angelegten Spannungsimpulsen Ua, Ub, Uc entstehen, wird die Höhe des resultierenden zweiten Gesamtstromimpulses l2 mit Gleichung (2) berechnet. Wichtig ist hierbei, dass die Zeitdauer ab Start der Spannungsimpulse bis zur Strommessung gleich ist wie bei den ersten Messungen.
Ist der zum ersten Messzeitpunkt t ermittelte resultierende erste Gesamtstromimpuls Ii größer oder gleich dem zum zweiten Messzeitpunkt t2 ermittelten resultierenden zweiten Gesamtstromimpuls l2, dann entspricht die aktuelle Winkelposition φκ des Rotors 12 dem von der Winkelsensorik 28 gemessenen aktuellen Winkelmesswert 9AMR,K, d.h. (pk=(pAMR,k- Ist der zum ersten Messzeitpunkt ermittelte resultierende erste Gesamtstromimpuls kleiner als der zum zweiten Messzeitpunkt t2 ermittelte resultierende zweite Gesamtstromimpuls l2, dann entspricht die aktuelle Winkelposition q>k des Rotors 12 einer Winkelsumme aus dem von der Winkelsensorik 28 gemessenen aktuellen Winkelmesswert < AMR,k und einem Korrekturwert von 180°, d.h.
Figure imgf000017_0002
Die aktuelle Winkelposition <pk und der gemessene Winkelmesswert (pAMR,k werden im Speicher 22.6 gespeichert. Im Folgenden wird der Winkelmesswert AMR.k zyklisch gemessen, idealerweise in einem festen Zeitraster mit äquidistanten Winkelmesszeitpunkten ti bis tn. In jedem Winkelmesszeitpunkt tk mit k = 1 bis n wird aus einem alten gemessenen Winkelmesswert >AMR,k-i vom letzten Winkelmesszeitpunkt tk-i , der zum letzten Messzeitpunkt tk-1 berechneten alten Winkelposition c k-i und einem zum aktuellen Zeitpunkt tk gemessenen aktuellen Winkelmesswert (pA R.k die neue aktuelle Winkelposition <pk des Rotors 12 berechnet.
Wenn der Differenzbetrag zwischen dem alten gemessenen Winkelmesswert <PA R,k-i und dem gemessenen aktuellen Winkelmesswert c AMR,k kleiner als das Produkt aus der zeitlichen Differenz der Winkelmesszeitpunkte (tk - tk-i) und der maximal möglichen Winkelgeschwindigkeit comax ist, d.h.
Figure imgf000018_0001
dann nat die aktuelle Winkelposition cpk des Ro¬ tors 12 die Grenze 0°/180° noch nicht überschritten, wobei comax die maximal mögliche Winkelgeschwindigkeit der Synchronmaschine 10 ist. Daher berechnet sich die aktuelle Winkelposition cpk des Rotors 12 für diesen Fall aus Gleichung (4).
<Pk = <Pk -\ + <PAMRJc - <PAURJC-1 (4)
Wenn der Differenzbetrag zwischen dem alten gemessenen Winkelmesswert 9AMR,k-i und dem aktuell gemessenen Winkelmesswert CPAMR.K größer als das Produkt aus der zeitlichen Differenz der Messzeitpunkte (tk - tk-1) und der maximal möglichen Winkelgeschwindigkeit romax ist, d.h.
Figure imgf000018_0002
Hnax dann hat die aktuelle Winkelposition q>k des Ro¬ tors 12 die Grenze 0°/180° überschritten, wobei &max die maximal mögliche Winkelgeschwindigkeit der Synchronmaschine ist. Daher berechnet sich die aktuelle Winkelposition cpk des Rotors 12 für diesen Fall aus Gleichung (5).
% = mod(^_, + - <pmR^ + 180°,360°) (5)
Fig. 3 bis 5 zeigen typische Verläufe des Spannungsbetrags U, der Phasen- stromimpulse la, lb, lc und des Strombetrags I. Es ist klar zu erkennen, dass der erste Gesamtstromimpuls l-ι höher ist als der zweite Gesamtstromimpuls l2. Somit wurden die erste Spannungspulse also in Richtung des Permanentmagnet- Nordpols angelegt, so dass sich Stator- und Rotorfeld positiv überlagern. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in jedem elektrischen Antrieb eingesetzt werden, wenn eine Winkelsensorik, welche die aktuelle Winkelposition des Rotors innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, und eine Stromsensorik vorhanden sind und der elektri- sehe Antrieb eine ungerade Anzahl von Polpaaren aufweist.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils (12) in einem elektrischen Antrieb (10), der eine ungerade Polpaarzahl (Zp) aufweist,
wobei ein aktueller Winkelmesswert (q>AMR,k) des drehbaren Bauteils (12) mit einer Winkelsensorik (28) gemessen wird, welche den aktuellen Winkelmesswert (c AMR.k) nur innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, dadurch gekennzeichnet, dass
der im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessene aktuelle Winkelmesswert (c AMR.k) unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils (12) in eine eindeutige aktuelle Winkelposition ((pk) in einem uneingeschränkten Winkelbereich umgerechnet wird,
wobei Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils (12) durch Anlegen von ersten Testimpulsen (Ua, Ub, Uc) an den elektrischen Antrieb (10) und durch Auswerten von resultierenden zweiten Testimpulsen (I·,, l2, Ia, lb, U), welche im elektrischen Antrieb (10) in Reaktion auf die angelegten ersten Testimpulsen (Ua, U , Uc) entstehen, ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils (12) einmalig für die jeweilige Initialkonfiguration bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutige aktuelle Winkelmesswert (cpAMR,k) zyklisch gemessen wird,
wobei der für die jeweilige Initialkonfiguration im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessene aktuelle Winkelmesswert (c AMR.k) und die daraus berechnete eindeutige aktuelle Winkelposition ((pk) im uneingeschränkten Winkelbereich nach der Berechnung der aktuellen Winkelposition (φκ) als alter Winkelmesswert (9AMR, k-i) bzw. alte Winkelposition (φ^-,) gespeichert werden,
wobei die für den uneingeschränkten Winkelbereich eindeutige aktuelle Winkelposition (cpk) für einen ersten Zeitpunkt (tk) basierend auf der alten Winkelposition (<pk-1) und dem alten Winkelmesswert (CPAMR, M) und dem im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert (<PAMR,k) berechnet wird, und
wobei nach der Berechnung der aktuellen Winkelposition (cpk), der gemessene aktuelle Winkelmesswert (q>AMR,k) und die daraus ermittelte aktuelle Winkelposition (φκ) als alter Winkelmesswert (c A R,k-i) bzw. alte Winkelposition (cpk.i) gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Testimpulse (Ua, Ub, Uc) in Abhängigkeit von vorgegebenen Informationen (U, tpuis, COS(cpAMR,k). cos((pAMR,k-120°), COS((pAMR,k-240°), COS((pAMR,k-
180°), cos((pAMR,k-120°-180°), cos((pAMR,k-240°-1800)) erzeugt und zu vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten (tk, tk+i) für eine bestimmte Zeitdauer (tpuis) an den elektrischen Antrieb (10) angelegt werden, wobei die vorgegebenen Informationen eine bestimmte Zeitdauer (tPU|S) und/oder einen bestimmten Spannungsbetrag (U) und/oder eine bestimmte Richtung
(cos((pAMR,k-120o), cos((pAMR,k-240°), cos(<pAMR,k-180o), cos((pAMR,k-1200-1800), cos((pAMR,k-240o-180o)), welche in Abhängigkeit des aktuellen Winkelmesswerts ((pAMR,k) bestimmt wird, umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Testimpulse für die bestimmte Zeitdauer (tPu|S) als Spannungsimpulse (Ua, U , Uc) mit dem vorgegebenen Spannungsbetrag (U) und korrespondierenden vorgegebenen Richtungen
Figure imgf000021_0001
cos(cpAMR,k-240°), cos((pAMR,k-180°), cos((pAMR,k-120o-180°), cos(cpAMR,k-240o-180°)) zu vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten (tk, tk+1) an Statorspulen des elektrischen Antriebs (10) angelegt werden,
wobei zu vorgegebenen Messzeitpunkten (t-ι , t2) resultierende zweite Testimpulse als Stromimpulse (Ii , l2, la, l , l<=) gemessen und ausgewertet werden, und wobei die vorgegebenen Messzeitpunkte (t-, , t2) im Wesentlichen gleiche Zeitabstände zu korrespondierenden Ansteuerungszeitpunkten (tk, tk+i) aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass resultierende zweite Testimpulse {\ l2, la, lb, lc), welche in Reaktion auf erste Testimpulse (Ua, Ub, Uc) erzeugt werden, welche an zwei aufeinanderfolgenden Ansteuerungszeitpunkten (tk, tk+1) an den elektrischen Antrieb (10) angelegt wurden, zur Ermittlung einer bezüglich eines ersten Ansteuern ngszeit- punkts (tk) resultierenden Länge eines ersten Gesamtstromimpulses ( ) und einer bezüglich eines zweiten Ansteuerungszeitpunkts (tk+1) resultierenden Länge eines zweiten Gesamtstromimpulses (l2) ausgewertet werden, wobei der im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessene aktuelle Winkelmesswert (q>AMR,k) unter Verwendung der Länge des ersten Gesamtstromimpulses (ΙΊ) und der Länge des zweiten Gesamtstromimpulses(l2), aus welchen Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils (12) bestimmt werden, in eine eindeutige aktuelle Winkelposition (φ im uneingeschränkten Winkelbereich umgerechnet wird.
Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils (12) in einem elektrischen Antrieb (10), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Winkelsensorik (28), welche einen aktuellen Winkelmesswert ((PAMR.K) des drehbaren Bauteils (12) innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, wobei der elektrische Antrieb (10) eine ungerade Polpaarzahl (Zp) aufweist, gekennzeichnet durch eine Auswerte- und/oder Steuereinheit (22), welche über eine Schnittstelleneinheit (22.4) Informationen über den gemessenen aktuellen Winkelmesswert (C AMF ) emp¬ fängt, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit (22) den für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert (9A R,k) unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils (12) in eine eindeutige aktuelle Winkelposition (cpk) in einem uneingeschränkten Winkelbereich umrechnet, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit (22) Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils (12) für eine Initialkonfiguration durch Auswerten von ersten Testimpulsen (Ua, Ub, Uc), welche an den elektrischen Antrieb (10) angelegt sind, und von zweiten Testimpulsen ( , l2, la, lb, lc) ermittelt, welche im elektrischen Antrieb (10) in Reaktion auf die angelegten ersten Testimpulsen (Ua, Ub, Uc) entstehen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit (22) die ersten Testimpulse in Abhängigkeit von vorgegebenen Informationen (U, tPU|S, cos((pAMR,k-120°), cos((pAMR k-240°), cos((pAMR,k-180°), cos(cpAMR,k-120o-180o), cos(cpAMR,k-240o-180°)) als Spannungsimpulse (Ua, Ub, Uc) mit dem vorgegebenen Spannungsbetrag (U) und korrespondierenden vorgegebenen Richtungen (cos(cpAMR k-120o), cos((pA R,k- 240°), cos((pAMR,k- 80o), cos(9AMR,k-1200-1800), cos(cpAMR,k-240°- 80°)) selbst erzeugt und zu vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten (tk, tk+ ) für eine bestimmte Zeitdauer (tPu|S) über mindestens eine Schnittstelleneinheit (22.4) direkt an den elektrischen Antrieb (10) anlegt oder vorgegebene Informationen (U, tpU|S, cos(cpAMR,k-120o), cos(cpAMR,k-240°), cos((pAMR,k-180°), cos((pAMR,k-120°- 180°), cos((pAMR,k-240o-180°)) zur Erzeugung der ersten Testimpulse (Ua, Ub, Uc) über mindestens eine Schnittstelle (22.4) an einen Spannungsgenerator (24) anlegt, welcher die erste Testimpulse (Ua, Ub, Uc) in Reaktion auf die vorgegebenen Informationen (U, tPu|S, cos((pAMR,k-120°), cos( pAMR,k-240°), cos(<pAMR,k-180°), cos(9AMR,k-120o-180°), cos(cpAMR,k-240°-180°)) erzeugt und zu den vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten (tk, tk+1) für die bestimmte Zeitdauer (tPuis) an den elektrischen Antrieb ( 0) anlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit (22) zu vorgegebenen Messzeitpunkten ( , t2) resultierende zweite Testimpulse als Stromimpulse (Ii, l2, la, lb, lc) über mindestens eine Schnittstelleneinheit (22.4) direkt vom elektrischen Antrieb (10) und/oder von einer Strommesseinrichtung (26) empfängt und auswertet.
0. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit (22) resultierende zweite Testimpulse (I I l2, la, lb, lc), welche in Reaktion auf erste Testimpulse (Ua, Ub, Uc) erzeugbar sind, welche an zwei aufeinanderfolgenden Ansteuerungszeitpunkten (tk, tk+i) an den elektrischen Antrieb (10) angelegt sind, zur Ermittlung einer bezüglich eines ersten Ansteuerungszeitpunkts (tk) resultierenden Länge eines ersten Gesamtstromimpulses (^) und einer bezüglich eines zweiten Ansteuerungszeitpunkts (tk+-,) resultierenden Länge eines zweiten Gesamtstromimpulses (l2) auswertet, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit (22) den für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert ((PAMF ) unter Verwendung der Länge des ers- ten Gesamtstromimpulses (Ii) und der Länge des zweiten Gesamtstromim- pulses(l2), aus welchen Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils (12) bestimmbar sind, in eine eindeutige aktuelle Winkelposition (cpk) im uneingeschränkten Winkelbereich umrechnet.
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