WO2014075698A1 - Verfahren zum kalibrieren eines drehgebers - Google Patents

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Baumueller Nuernberg GmbH
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    • G01P21/02—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups of speedometers

Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating a rotary encoder issuing a sine track and a cosine track, in particular an incremental encoder, an electric machine.
  • the invention further relates to a Geberausêt for carrying out the method and an electric machine.
  • a sine and a cosine track is output by the speed sensor whose respective period corresponds to a rotation of the rotor by 1, 4 ° .
  • the sine or cosine track is usually recorded by means of two photoelectric or magnetic sensors, which are offset from one another by 90 ° with respect to their period, in this case 0.35 ° of the rotor axis.
  • a method for calibrating the rotary encoder is known.
  • a measured value is created from the two tracks, in which the root is drawn from the sum of the squares of the two tracks, that is, the radius of the circle is determined, if the measuring points were plotted in the aforementioned diagram.
  • the time profile of the determined radius is iteratively analyzed by means of a Fourier transformation and from this correction factors for the correction of the respective errors are determined.
  • the circle resulting from the corrected tracks in the diagram thus has a center in the origin and a constant radius.
  • the amplitude of the corrected tracks is the same, the offset of each of the tracks is 0, and the phase between the two tracks is 90 °.
  • the cosine track corresponds to the sine track shifted by 90 °.
  • the invention has for its object to improve the angular resolution of an electrical machine.
  • the object is achieved with respect to a method by the features of claim 1, with respect to a Geberaus Harmon by the features of claim 10 and with respect to an electric motor by the features of claim 11.
  • the method provides that the rotary machine having an electric machine is first controlled to a certain speed.
  • the regulation takes place for example by means of a P and / or I-controller.
  • the angle of the arctangent of the fraction is the sine and cosine traces.
  • a number of sine and cosine oscillations are provided in the sine and cosine tracks, respectively, which corresponds to a number of pulses, whereby the period of the sine and cosine oscillations is preferably the same.
  • the number of pulses is 1, so that only a single period of the sine and a single period of the cosine in the sine and cosine tracks are provided per revolution of the rotor.
  • the number of lines is greater, and in particular equal to 256, 512 or 1024.
  • a vibration is determined whose period corresponds to a rational fraction of the period of the sine or cosine track.
  • the frequency of the oscillation is an integer multiple product of the determined speed with the number of pulses, the specific speed being indicated in particular in U / s. If the speed of the unit is selected in rpm, the frequency will be one-sixtieth of the multiple of the product.
  • a correction factor suitably a number thereof, of the sine and / or cosine track is determined by means of which the amplitude, the phase and / or the offset of the sine or cosine track are suitably adjusted.
  • the correction factor is selected in such a way that when the respective track changes by the correction factor and when the temporal angular course is re-determined by means of the track modified by the correction factor, the amplitude of the oscillation of the temporal angular progression is below or equal to a limit value.
  • a limit for example, 0 (zero) is used. In other words, the temporal angular progression produced by means of the adapted sine or cosine track no longer exhibits any oscillation with the considered frequency.
  • the limit value that value of the amplitude at which, despite a change in the correction factor, no reduction in the amplitude occurs.
  • at least one local minimum of the amplitude as a function of the correction factor is used as the limit value.
  • the angular resolution of the rotary encoder is improved.
  • the adjusted tracks and / or the adjusted tracks differ from an optimal sine or cosine function, this fact accommodates the fact that any sensors of the tachometer itself do not provide optimal tracks, for example due to hysteresis effects. Rather, it is considered that during a rotational movement of the electric machine, in which the speed is regulated to the certain speed, substantially no vibrations occur within the temporal angular course. At the very least, it is relatively unlikely that a vibration having a frequency of the integer multiple of the product of the determined speed and the number of pulses will occur, that is, there is a periodic disturbance of the electric machine. Such vibrations are thus caused due to manufacturing tolerances of the encoder.
  • the method is carried out automatically, for example, by means of a transmitter evaluation or a control device, in particular after an initial installation of the electrical machine, wherein the determined correction factor during the complete term of the electric machine is used. Alternatively or in combination with this, the correction factor is determined again at certain periodic intervals or the method is carried out manually.
  • the determination of the correction factor (s) is iterative. For example, after determining the oscillation and determining that its amplitude is greater than the limit value, the respective correction factor is set to a predetermined, in particular constant value and by means of this the respective adapted track is recreated, and the adjusted temporal angular profile is determined therefrom. If the adjusted temporal angle course further comprises the oscillation whose amplitude is still greater than the limit value, the correction factor is added to the determined value and the respective track is adjusted again. These steps take place, in particular, until the amplitude is less than or equal to the limit value.
  • the adaptation that is to say the adding of the determined value to the correction factor, expediently takes place until the amplitude increases.
  • the correction factor is lowered once by the predetermined value, and the process is ended.
  • the angular velocity is used as a temporal angular progression.
  • the vibration within the angular velocity is identified, which is comparatively easy, since only the angular velocity has to be subtracted from the specific velocity to which the electric machine is controlled.
  • Particularly preferred is considered only the vibration whose frequency is equal to the product of the number of lines and the specific speed. It is thus considered only the vibration whose period corresponds to the distance between two line numbers of the speed sensor. Consequently, artifacts are taken into account that periodically appear in the sine or cosine track between every two lines of the speed sensor, as is the case, for example, with hysteresis effects.
  • each area between two bars is treated essentially the same, wherein only a comparatively small number of measured values need be available for determining the oscillation without fear of a loss of information. Furthermore, in this way the lowest possible frequency is removed from the temporal angular progression, which is most noticeable on the one hand for the human ear, and on the other hand could lead to a danger of the electric machine due to an excitation.
  • the correction factor corresponds to the offset of the sine and / or cosine track.
  • the method by means of the method, only the offset of the sine or cosine track is thus changed in order to reduce the amplitude of the oscillation within the temporal angular progression.
  • such an approach is relatively simple, since only a constant value is added to or subtracted from the respective track.
  • an oscillation having a frequency equal to the product of the determined speed and the number of lines is amplified or suppressed within the temporal angular course.
  • a phase of oscillation is determined with respect to the sine and / or cosine trace. In other words, it is determined whether the considered one
  • the determination of the phase is carried out by means of a Fourier analysis, in particular a fast Fourier transformation (almost FFT), which is applied to the oscillation and / or the respective track.
  • a Fourier analysis in particular a fast Fourier transformation (almost FFT)
  • FFT fast Fourier transformation
  • the phase is particularly preferably determined by means of the Goertzel algorithm, and the frequency of the oscillation is determined before the algorithm is used. Due to the use of the Goertzel algorithm, the number of arithmetic operations is reduced, namely to substantially 8 times the measured values used, whereby preferably only a single frequency is analyzed during the method. Conveniently, the amplitude of the oscillation is determined in the same step. In other words, only once the Goertzel algorithm is applied to the temporal angular course to obtain both the amplitude and the phase of the oscillation. However, it is also possible to use the Goertzel algorithm only for the determination of the amplitude of the vibration, regardless of the determination of the phase.
  • the offset of the sine track is appropriately increased.
  • the offset of the sinusoidal track is used as a correction factor and this is increased if the oscillation in the time angle of the sine track by less than 90 ° leads or lags behind by less than 90 °.
  • the cosine track is used to calibrate it.
  • the respective offset is changed by a certain, predetermined value, ie increased or decreased. In this way, a comparatively simple determination of the correction factor is made possible without complex invoices having to be made.
  • the offset of the sine track and / or the cosine track is reduced if the oscillation in the time angle of the respective track leads by more than 90 °, and expediently less than 270 °.
  • the determination of the correction factor is simplified due to the robust approach.
  • the offset either increases or decreases depending on the determined phase position. In other words, both tracks are changed as a function of the phase position of the oscillation without a recalculation of the temporal angular course in between.
  • the amplitude of the oscillation is comparatively extensively reduced. Consequently, if the method is iterative, only comparatively few iteration steps are necessary until the end of the method.
  • the amplitudes of the two tracks are adapted to one another.
  • the amplitudes of the sine and cosine tracks are the same.
  • the adaptation preferably takes place by means of a minimum-maximum comparison of the two tracks.
  • both the maximum and the minimum are determined, and the difference between them is taken as twice the amplitude.
  • either the sine or the cosine track is adjusted such that the difference between the now new maximum and the new minimum corresponds to the corresponding difference of the respective other track.
  • the amplitudes of the two tracks are adjusted to an auxiliary size.
  • the adaptation of the amplitudes takes place before the first calculation of the angle of the electrical machine on the basis of the sine and / or cosine track.
  • the now amplitude-matched sine and / or cosine tracks are used to determine the correction factor.
  • the individual points of the two tracks assigned in the mentioned Cartesian coordinate system form a circle and preferably the unit circle.
  • the amplitudes By means of the adaptation of the amplitudes to each other and in particular to a predetermined amplitude, further oscillations in the temporal angular progression are avoided, or at least reduced, whose frequency corresponds to twice the product of the determined speed and the number of lines.
  • the amplitudes are not changed after adaptation.
  • the offset of the sine and / or cosine track is changed in such a way that the integral over the respective track along a period is equal to zero (0).
  • the offset of the sine or cosine track is set to the value at which the corresponding track oscillates around the respective zero line. Consequently, the center of the circle formed by the values of the sine and cosine tracks in the mentioned Cartesian coordinate system is at its origin.
  • the determination of this offset takes place for example by means of integration or a minimum-maximum comparison.
  • the respective track is shifted so that the amount of the minimum corresponds to the amount of the maximum of the respective track.
  • this first setting of the offset takes place in one step with the amplitude adjustment, if this takes place. Due to the first choice of the offset, the amount of the correction factor is comparatively small in a subsequent determination of the correction factor, if the offset is used as a correction factor. In particular, if the fit is iterative, with a first choice of offset, to the effect that the integral over the period equals zero (0), only a small number of iteration steps are required.
  • the phase between the two tracks is adjusted so that the cosine track corresponds to a sine track shifted by 90 °.
  • the sine track and the cosine track used therefor are adapted to the two-dimensional order the values produced by the two tracks in the said Cartesian coordinate system, in which the cosine and the sine each form an axis, give a unit circle concentric about the origin.
  • the first time the angle and the temporal angular course are formed and herein the vibration is determined using the adapted tracks for this purpose.
  • either the offset, the amplitude or the phase is further adjusted as a correction factor, so that the amplitude of the oscillation is below the limit value or equal thereto.
  • a constant speed is used as the specific speed to which the electric machine is controlled.
  • the specific speed is chosen such that the frequency of the oscillation is between 50 Hz and 200 Hz. If the rotary encoder has a number of lines of 1024, and the frequency of the product of the specific speed and the number of lines is used, the specific speed is thus between 2.9 revolutions per minute (RPM) and 12 U / min. In this way, it is ensured that the rotor of the electric machine is running substantially uniformly and the vibration determined in the temporal angular course is not caused by an acceleration or deceleration of the rotor.
  • RPM revolutions per minute
  • control of the electric machine is made to the determined speed on a test bench and the actual speed, which is compared with the certain speed, is determined on the basis of another, already calibrated tachometer.
  • control of the electric machine is carried out to the specific speed by means of the speed sensor itself to be calibrated, since the error to be eliminated by means of the calibration is comparatively small.
  • the encoder evaluation which is preferably designed as a control unit, is set up, in particular in terms of circuitry and / or programming, and provided to carry out the method.
  • the control unit for example, a Memory from which the program is loaded into a microprocessor.
  • the microprocessor is already designed as an application-specific circuit (ASIC).
  • the encoder evaluation comprises a memory for receiving the sine and cosine track supplied by the rotary encoder, which track is designed, for example, as a ring memory.
  • the encoder evaluation preferably has a memory for storing the respective correction factor.
  • the encoder evaluation or the control unit is for example part of an electrical machine with a rotary encoder, or the electrical machine is calibrated by means of the method, in particular the rotary encoder.
  • the determined correction factor is stored in a memory of the rotary encoder or control electronics of the electric machine.
  • At least the electrical machine designed as an electric motor exhibits a fluctuation of the angular velocity calculated by means of the sine and / or cosine track about the actual speed of less than 2 ° per second, in particular at an actual speed of between 50 rpm and 70 rpm.
  • the electric motor has a torque between 300 and 1000 Nm and / or a power between 5 kW and 150 kW.
  • the determined speed during operation is between 50 rpm and 1000 rpm. Consequently, it is possible to use the electric motor in an offset printing machine, e.g. fed by continuous paper, yet due to the knowledge of the current angular position of the rotor and its speed, a precise print image can be created.
  • the electric motor is used in an injection molding machine, the exact dossing of the material to be sprayed is also made possible.
  • the electric motor is part of an offset printing press or an injection molding machine.
  • FIG. 2 shows a method for calibrating the rotary encoder, Fig. 3a-c intermediate steps of the method, and
  • Fig. 4 shows an alternative temporal angle course.
  • an electric motor 2 is shown schematically, which is supplied by means of an inverter 3 with a three-phase alternating current l.
  • the inverter 3 itself is operated by means of a current regulator 4 and a speed regulator 5, to which both the value of the alternating current I jst and a current rotational speed n ist of the electric motor 2 and a specific speed n S0 n are supplied. From these inputs, a desired current L so n is calculated and transmitted to the current controller 4, according to its specifications, not shown, current valves of the inverter 3 are operated.
  • the determined speed n so n is predetermined by means of a setpoint specification unit 6 or also if a calibration run of the electric motor 2 is started.
  • the actual rotational speed n is determined by means of an incremental encoder 8 which operates on the basis of a photoelectric principle and which is flanged on the B side to a shaft of a rotor-stator unit 10.
  • the incremental encoder 8 has a number of lines 12 which is 512, wherein per revolution of the incremental encoder 8 detects a number of 512 pulses and both a sine track 14 and a cosine track 16 is created, the frequency of the vibrations in the respective tracks 14, 16 is the product of the current speed n and the number of pulses 12 corresponds.
  • one complete cycle of the rotor within the stator is recorded by means of the incremental encoder per sine or cosine track 14, 16 for a number of 512 full cycles.
  • the sine track 14 and the cosine track 16 are fed to a transmitter evaluation 18 and stored in a ring memory.
  • the incremental encoder 8 is calibrated by recording the recorded sine track 14 and cosine track 16 into a calibrated sine track 14a and a calibrated cosine track 14a. nus lane 16a are transferred.
  • a set of correction factors 20 is stored in a memory of the encoder evaluation 18, which are determined during the calibration run of the electric motor 2 by means of the encoder evaluation 18.
  • the electric machine 2 Due to the calibration of the electric machine 2 is a high-precision determination of the position of the rotor with respect to the stator and thus a calculation of an angular velocity 22 possible, which varies by the actual current speed nist by less than 2 ° per second.
  • the speed n is t between one and ten revolutions per second, with the applied torque at 400 Nm and the power at 35 kW. Due to this, it is possible to use the electric motor 2 in an offset printing machine by which, for example, newspapers are printed.
  • FIG. 2 schematically shows a method 24 for calibrating the incremental encoder 8 in a flowchart.
  • a start event 26 which is automatically triggered after installation of the electric motor 2 or manually by an operator of the electric motor 2
  • the electric motor 2 is controlled in a control step 28 to the specific speed n S0 n by means of the speed controller 5, wherein the specific speed n SO ii is provided by the setpoint specification unit 6.
  • the determined speed n so u is constant and is one revolution per second or 60 rpm. Consequently, every 1/512 s (second) is expected to arrive at a stroke detected by the incremental encoder 8.
  • the speed is increased by means of the control 6, but if the time interval is less than 1.5 milliseconds, the speed is reduced until the distance is 1/512 s corresponds.
  • both the sine track 14 and the cosine track 16 are adjusted so that their respective offset O is a value of zero (0) and the respective amplitude A is a value of 1024 bit speaks.
  • the minimum of the amplitude rectified sine and cosine tracks 14, 16 corresponds to a value of -1,024 and the maximum 1,024.
  • an angle 38 of the rotor with respect to the stator is calculated (FIG. 4).
  • Arctan (sine track 14 / cosine track 16) is used as angle 38.
  • the angle 38 is created for each measured value of the sine and cosine tracks 14, 16, so that the angular velocity 22 can be determined therefrom as a time angle curve in a speed determination step 40.
  • the difference between two consecutive angles 38 is formed and divided by the time interval between the points of the sine and cosine tracks 14, 16 used for determining the angles 38.
  • the angular velocity 22 is determined by means of the
  • the Goertzel algorithm analyzed using as frequency the product of the specific speed n S0 n and the number of lines 12. Consequently, in the analysis step 42, the amplitude A and a phase P of a vibration 44 (FIG. 3b) are determined with the frequency of the product of the determined speed n S0 n and the number of pulses 12 at the angular velocity 22. Furthermore, in the same step 42, the sine and cosine tracks 14, 16 are examined by means of the Goertzel algorithm and their respective phase P is determined.
  • a subsequent comparison step 46 the amplitude A of the oscillation 44 is compared with a comparison value 48a, which is initially set to a maximum value, for example 1024 bits, at the start of the method 24, ie essentially immediately after the start event 26 has occurred. If the amplitude A of the oscillation 44 is smaller than the comparison value 48a, the previous comparison value 48a is overwritten with the amplitude A of the oscillation 44, and in a phase comparison step 50 the phases P determined in the analysis step 46 of the oscillation 44 with respect to the sine and Cosine track 14, 16 compared.
  • a comparison value 48a is initially set to a maximum value, for example 1024 bits
  • the offset O of the sine track 14 is increased in an offset correction step 52. If the phase P of the oscillation 44 in the angular velocity 22 with respect to the sine track 14 is greater than + 90 ° and smaller than + 270 °, the offset O of the sine track 14 is lowered by 1 bit. In this case, the maximum of sine track 14 corresponds to a value of 1,023 and the minimum to -1,025.
  • the cosine track 16 is also corrected via its offset O, whereby the offset O is also increased if the phase P of the oscillation 44 is between -90 ° and + 90 °, so the oscillation 44 of the cosine track 16 by less than 90 ° behind or in advance rushes. In the remaining cases, the offset O of the cosine track 16 is lowered by 1 bit.
  • the angle detection step 36 is executed again in an iterative manner and the angle 38 is determined, but with reference to the adapted tracks 14, 16.
  • the angle 38 determines the angular velocity 22 and the amplitude A of the oscillation 44 and compared with the newly created comparison value 48a, ie the amplitude A of the oscillation 44 before the last adjustment of the offsets O of the sine and cosine tracks 14, 16. If the now existing amplitude A continues to be less than or equal to the comparison value 48a, the offset O of the two tracks 14, 16 is again increased or decreased by one bit, depending on the phase position of the oscillation 44 to the respective track 14, 16.
  • the comparison value 48a is used as a limit value 48.
  • the limit value 48 is at least one local minimum of the amplitude A of the oscillation 44 as a function of the offsets O of the sine and cosine tracks 14, 16. If the amplitude A of the oscillation 44 is less than or equal to this limit value 44, a deposit step 50 in the memory of the encoder evaluation 18, the amplitude and offsets A, O determined in the adaptation steps 32, 34, 52 deposited as a correction factor 20.
  • the offsets O of the sine and cosine tracks 14, 16 In this case, they correspond to the offsets O before the execution of the most recent offset correcting step 52.
  • the method 24 reaches an end 56, and the correction factors 20 are now used to calculate the corrected sine and cosine traces 14a , 16a used.
  • FIG. 3 a shows the time profile of the sine track 14 and the cosine track 16 as they are after the pickup step 30.
  • the sine track 14 has a negative offset O and an amplitude A that is greater than 1024 bits.
  • the amplitude A of the cosine track 16 is less than 1024 bits and its offset O is positive.
  • FIG. 3b the sine and cosine tracks 14, 16 which are aligned and offset rectified according to the adaptation steps 32, 34 are shown whose respective offset O corresponds to a value of zero (0) and whose amplitude corresponds to 1024 bits.
  • the determination of the two parameters A, O of each track 14, 16 takes place either by integrating over a period, a minimum / maximum comparison or applying the Goertzel algorithm to the respective track 14, 16.
  • the vibration 44 is recognizable with the amplitude A.
  • the phase P of the oscillation 44 with respect to the sine track 14 is approximately 260 ° and the phase P of the oscillation 44 with respect to the cosine track 16 is approximately 350 °. Consequently, in the offset correction step 56, the offset O of the sine track 14 is lowered and the offset O of the cosine track 16 is first increased.
  • Fig. 3c the course of the calibrated sine and cosine track 14a, 16a shown in which within the angular velocity 22 no vibration 44 is more recognizable.
  • the corrected sine track 14a has a slightly negative offset O and the corrected cosine track 16a has a positive offset O, these offsets O being stored next to the respective amplitudes A as correction factor 20 in the depositing step 50 in the encoder evaluation 18.
  • FIG. 4 shows an alternative time profile 38 with the oscillation 44.
  • a temporal angular course of the respective angle 38 itself is used, so that between the individual lines of the incremental encoder 8 a sawtooth-shaped extending optimum angle 58 would result.
  • the calculated angle 38 varies by the amplitude A of the oscillation 44.
  • n is t current speed n so n certain speed

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (24) zum Kalibrieren eines eine Sinus-Spur (14) und eine Cosinus-Spur (16) ausgebenden Drehgebers (8), insbesondere Inkrementalgeber, einer elektrischen Maschine (2), der eine Strichzahl (12) aufweist. Das Verfahren (24) sieht vor, dass - die elektrische Maschine (2) auf eine bestimmte Geschwindigkeit (nsoll) geregelt wird, - ein Winkel (38) der elektrischen Maschine (2) anhand der Sinus-Spur (14) und/oder der Cosinus-Spur (16) bestimmt wird, - hieraus ein zeitlicher Winkelverlauf (22) ermittelt wird, - eine Schwingung (44) in dem zeitlichen Winkelverlauf (22) mit einer Frequenz von im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen des Produkts aus der bestimmten Geschwindigkeit (nsoll) und der Strichzahl (12) ermittelt wird, und - hieraus ein Korrekturfaktor (20) der Sinus-Spur (14) und/oder der Cosinus-Spur (16) abgeleitet wird, bei dem die Amplitude (A) der Schwingung (44) kleiner oder gleich einem Grenzwert (48) ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Geberauswertung (18) und einen Elektromotor (2) mit einem Drehgeber (8).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Kalibrieren eines Drehgebers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines eine Sinus-Spur und eine Cosinus-Spur ausgebenden Drehgebers, insbesondere Inkrementalgeber, einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Geberauswertung zur Durchführung des Verfahrens und eine elektrische Maschine.
Bei elektromotorisch angetriebenen Maschinen, wie beispielsweise Werkzeugmaschinen, ist ein Wissen um die aktuelle Phasenlage des Elektromotors für den präzisen Betrieb der Maschine nötig. So ist beispielsweise das genau Dosieren von Kunststoff bei einer Spritzgussmaschine oder der korrekte Druck mittels einer von Papierrollen gespeisten Offsetdruckmaschine lediglich möglich, wenn der aktuelle Winkels des Rotors bzgl. des Stators und/oder die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors bekannt ist. Üblicherweise ist daher an einer Welle des Rotors ein als Inkrementalgeber ausgestalteter Drehgeber angeflanscht, der eine bestimmte Strichzahl aufweist, zum Beispiel 256. Folglich werden bei einer Umdrehung des Rotors um 360° mittels des Inkrementalgebers 256 Pulse ermittelt. Um auch eine Auflösung von Winkeln, die geringer als 1 ,4° (360° / 256) zu erhalten, wird mittels des Drehzahlgebers eine Sinus- und eine Cosinus- Spur ausgegeben, deren jeweilige Periode einer Rotation des Rotors um 1 ,4° entspricht. Die Sinus- bzw. Cosinus-Spur wird dabei üblicherweise mittels zweier photoelektrischer oder magnetischer Sensoren aufgezeichnet, die zueinander um 90° bzgl. ihrer Periode versetzt sind, also in diesem Fall 0,35° der Rotorachse.
Die von den beiden Sensoren bereitgestellten Spuren entsprechen jedoch aufgrund von Fertigungstoleranzen des Drehzahlgebers nicht einer optimalen Sinusbzw. Cosinus-Funktion. Daher ist es nötig, den Drehgeber vor Betrieb der elektrischen Maschine zu kalibrieren. Hierbei wird zwischen Amplituden-, Phasen- und Offsetfehlern unterschieden. Bei einem Auftrag der mittels des Drehgebers erstellten Messpunkte der beiden Spuren in einem Diagramm, wobei die x-Koordinate jedes aufgetragen Punktes dem Messwert der Cosinus-Spur und die y-Koordinate dem Messwert der Sinus-Spur entspricht, lägen die Messpunkte eines optimalen Drehgebers auf einem Einheitskreis um den Ursprung. Bei einer Verformung des Einheitskreises zu einer Ellipse liegt demnach ein Amplitudenfehler, bei einer Verkippung der Ellipse ein Phasenfehler und bei einer Verschiebung des Kreises bzgl. des Ursprungs ein Offsetfehler des Drehgebers vor.
Aus der DE 101 63 504 B4 ist ein Verfahren zur Kalibrierung des Drehgebers bekannt. Hierbei wird aus den beiden Spuren ein Messwert erstellt, in dem aus der Summe der Quadrate der beiden Spuren die Wurzel gezogen wird, also der Radius des Kreises ermittelt wird, sofern die Messpunkte in dem zuvor erwähnten Diagramm aufgetragen würden. In einem weiteren Schritt wird der zeitliche Verlauf des ermittelten Radiuses mittels einer Fouriertransformation iterativ analysiert und hieraus Korrekturfaktoren zur Behebung der jeweiligen Fehler ermittelt. Der sich mit den korrigierten Spuren in dem Diagramm ergebende Kreis weist folglich einen Mittelpunkt im Ursprung und einen konstanten Radius auf. Mit anderen Worten ist die Amplitude der korrigierten Spuren gleich, der Offset jeder der Spuren gleich 0, und die Phase zwischen den beiden Spuren entspricht 90°. Mit anderen Worten entspricht die Cosinus-Spur der um 90° verschobenen Sinus-Spur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Winkelauflösung einer elektrischen Maschine zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich eines Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 , hinsichtlich einer Geberauswertung durch die Merkmale des Anspruchs 10 und hinsichtlich eines Elektromotors durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Verfahren sieht vor, dass die einen Drehgeber aufweisende elektrische Maschine zunächst auf eine bestimmte Geschwindigkeit geregelt wird. Die Regelung erfolgt beispielsweise mittels eines P- und/oder I-Reglers. Aus einer Sinus- oder Cosinus-Spur, vorzugsweise mittels beider, des als Inkrementalgeber ausgestalteten Drehgebers wird ein Winkel und hieraus der zeitliche Verlauf des Winkels ei- nes Rotors bzgl. eines Stators der elektrischen Maschine ermittelt. Insbesondere ist der Winkel der Arcustangens des Bruches aus der Sinus- und der Cosinus- Spur. Pro Vollumdrehung des Rotors wird mittels des Drehgebers eine Anzahl von Sinus- und Cosinus-Schwingungen in der Sinus- bzw. Cosinus-Spuren geliefert, die einer Strichzahl entspricht, wobei die Periode der Sinus- und Cosinus- Schwingungen vorzugsweise gleich groß ist. Die Strichzahl ist beispielsweise gleich 1 , so dass pro Umdrehung des Rotors lediglich eine einzige Periode des Sinus und eine einzige Periode des Cosinus in der Sinus- bzw. der Cosinus-Spur zur Verfügung gestellt wird. Um eine möglichst genaue Winkelauflösung zu erhalten, ist die Strichzahl jedoch größer und insbesondere gleich 256, 512 oder 1024.
In dem zeitlichen Verlauf des Winkels wird eine Schwingung ermittelt, deren Periode einem rationalen Bruch der Periode der Sinus- bzw. Cosinus-Spur entspricht. Mit anderen Worten ist die Frequenz der Schwingung ein ganzzahliges Vielfaches Produkt der bestimmten Geschwindigkeit mit der Strichzahl, wobei die bestimmte Geschwindigkeit insbesondere in U/s angegeben ist. Bei einer Einheitenwahl der bestimmten Geschwindigkeit in U/min entspricht die Frequenz einem Sechzigstel des Vielfachen des Produkts.
In einem weiteren Schritt wird ein Korrekturfaktor, geeigneterweise eine Anzahl hiervon, der Sinus- und/oder Cosinus-Spur bestimmt, mittels dessen geeigneterweise die Amplitude, die Phase und/oder der Offset der Sinus- bzw. Cosinus-Spur angepasst wird. Der Korrekturfaktor ist dabei derart gewählt, dass bei einer Änderung der jeweiligen Spur um den Korrekturfaktor und einer erneuten Ermittlung des zeitlichen Winkelverlaufs mittels der um den Korrekturfaktor geänderten Spur die Amplitude der Schwingung des zeitlichen Winkelverlaufs unterhalb oder gleich eines Grenzwertes ist. Als Grenzwert wird beispielsweise 0 (Null) herangezogen. Mit anderen Worten weist der mittels der angepassten Sinus- bzw. Cosinus-Spur erstellte zeitliche Winkelverlauf keine Schwingung mit der betrachteten Frequenz mehr auf. Besonders bevorzugt wird als Grenzwert derjenige Wert der Amplitude herangezogen, bei dem trotz einer Veränderung des Korrekturfaktors keine Verkleinerung der Amplitude eintritt. Es wird somit zumindest ein lokales Minimum der Amplitude in Abhängigkeit des Korrekturfaktors als Grenzwert herangezogen. Infolge dessen ergibt der Auftrag der angepassten Sinus- und Cosinus-Spur in einem Diagramm keinen Einheitskreis, wobei die x-Koordinate jedes aufgetragen Punktes einem Punkt der angepassten Cosinus-Spur und die y-Koordinate dem zugehörigen Punkt der angepassten Sinus-Spur entspricht. Vielmehr ist der Kreis bzgl. des Mittelpunkts verschoben und/oder zu einer verkippten Ellipse verformt.
Mittels eines derartigen Vorgehens wird die Winkelauflösung des Drehgebers verbessert. Zwar unterscheiden sich die angepasste Spuren und/oder die angepassten Spuren von einer optimalen Sinus- bzw. Cosinus-Funktion, jedoch wird hierdurch dem Umstand Rechnung getragen, dass etwaige Sensoren des Drehzahlgebers selbst keine optimalen Spuren bereitstellen, beispielsweise aufgrund von Hystereseeffekten. Vielmehr wird berücksichtigt, dass während einer Rotationsbewegung der elektrischen Maschine, bei der die Geschwindigkeit auf die bestimmte Geschwindigkeit geregelt ist, innerhalb des zeitlichen Winkelverlaufs im Wesentlichen keine Schwingungen auftreten. Zumindest ist es vergleichsweise unwahrscheinlich, dass eine Schwingung mit einer Frequenz von dem ganzzahligen Vielfachen des Produkts aus der bestimmten Geschwindigkeit und der Strichzahl auftreten, also dass eine periodische Störung der elektrischen Maschine vorliegt. Derartige Schwingungen werden somit aufgrund von Fertigungstoleranzen des Drehgebers hervorgerufen. Es handelt sich folglich um Artefakte, die mittels der vorgeschlagenen Kalibrierung beseitigt werden. Im Vergleich zum Stand der Technik wird dabei der zeitliche Winkelverlauf selbst betrachtet und hieraus, und in Folge dessen aus den beiden Spuren, die Artefakte entfernt. Es werden die mit den Artefakten belasteten Spuren eben nicht auf einer optimalen Sinus- bzw. Cosinus-Funktion abgebildet, mittels derer bei einem fehlerhaften Drehgeber lediglich eine falsche Winkelauflösung berechnet werden kann. Mit anderen Worten wird bewusst eine Kalibrierung der beiden Spuren herbeigeführt, bei der die Spuren nicht der jeweiligen optimalen Funktion entsprechen.
Das Verfahren wird zum Beispiel mittels einer Geberauswertung oder eines Steuergeräts automatisiert durchgeführt, insbesondere nach einer Erstinstallation der elektrischen Maschine, wobei der ermittelte Korrekturfaktor während der vollstän- digen Laufzeit der elektrischen Maschine verwendet wird. Alternativ oder in Kombination hierzu wird der Korrekturfaktor in bestimmten periodischen Abständen erneut ermittelt oder das Verfahren händisch ausgeführt.
Geeigneterweise erfolgt die Bestimmung des oder der Korrekturfaktoren iterativ. Beispielsweise wird nach der Ermittlung der Schwingung und der Feststellung, dass deren Amplitude größer als der Grenzwert ist, der jeweilige Korrekturfaktor auf einen vorbestimmten, insbesondere konstanten Wert gesetzt und mittels diesem die jeweilige angepasste Spur erneut erstellt, und zweckmäßigerweise hieraus der angepasste zeitliche Winkelverlauf ermittelt. Falls der angepasste zeitliche Winkelverlauf weiterhin die Schwingung aufweist, deren Amplitude weiterhin größer als der Grenzwert ist, wird dem Korrekturfaktor der bestimmte Wert hinzuaddiert und die jeweilige Spur erneut angepasst. Diese Schritte erfolgen insbesondere bis die Amplitude kleiner oder gleich dem Grenzwert ist.
Sofern als Grenzwert ein lokales Minimum der Amplitude in Abhängigkeit des Korrekturfaktors verwendet wird, erfolgt die Anpassung, also das Addieren des bestimmten Werts zu dem Korrekturfaktor, zweckmäßigerweise bis die Amplitude anwächst. In einem solchen Fall wird der Korrekturfaktor einmal um den bestimmten Wert erniedrigt und das Verfahren beendet. Mittels der iterativen Vorgehensweise ist eine Umsetzung des Verfahrens vergleichsweise effizient durchzuführen, da keine komplizierten Berechnungen zur Bestimmung des Korrekturfaktors selbst nötig sind. Zwar steigt die Anzahl der Rechenoperationen an, diese sind jedoch vergleichsweise einfach durchzuführen. Ferner ist nach bereits einer vergleichsweise geringen Anzahl von Iterationsschritten ein stabiler Korrekturfaktor gefunden.
In einer zweckdienlichen Ausführungsform der Erfindung wird als zeitlicher Winkelverlauf die Winkelgeschwindigkeit herangezogen. Mit anderen Worten wird die Schwingung innerhalb der Winkelgeschwindigkeit identifiziert, was vergleichsweise einfach möglich ist, da hierfür lediglich die Winkelgeschwindigkeit von der bestimmten Geschwindigkeit abgezogen werden muss, auf die die elektrische Maschine geregelt wird. Besonders bevorzugt wird lediglich die Schwingung betrachtet, deren Frequenz gleich dem Produkt aus der Strichzahl und der bestimmten Geschwindigkeit ist. Es wird somit lediglich die Schwingung betrachtet, deren Periode dem Abstand zwischen zwei Strichzahlen des Drehzahlgebers entspricht. Folglich werden Artefakte berücksichtigt, die periodisch in der Sinus- bzw. Cosinus-Spur zwischen jeweils zwei Strichen des Drehzahlgebers auftauchen, wie dies beispielsweise bei Hystereseeffekten der Fall ist. Mit anderen Worten wird mittels einer derartigen Wahl der Frequenz jeder Bereich zwischen zwei Strichen im Wesentlichen gleich behandelt, wobei zur Ermittlung der Schwingung lediglich eine vergleichsweise geringe Anzahl von Messwerten zur Verfügung stehen muss ohne einen Informationsverlust zu befürchten. Ferner wird auf diese Weise die niedrigste mögliche Frequenz aus dem zeitlichen Winkelverlauf entfernt, die einerseits für das menschliche Gehör am auffälligsten ist, und die andererseits zu einer Gefährdung der elektrischen Maschine aufgrund einer Anregung führen könnte.
Zweckdienlicherweise entspricht der Korrekturfaktor dem Offset der Sinus- und/oder Cosinus-Spur. Mit anderen Worten wird mittels des Verfahrens somit lediglich der Offset der Sinus- bzw. der Cosinus-Spur verändert, um die Amplitude der Schwingung innerhalb des zeitlichen Winkelverlaufs zu verringern. Einerseits ist eine derartige Vorgehensweise vergleichsweise einfach, da zu der jeweiligen Spur lediglich ein konstanter Wert addiert oder abgezogen wird. Andererseits wird mittels der Offsetverschiebung der jeweiligen Spur eine Schwingung mit einer Frequenz, die gleich dem Produkt aus der bestimmten Geschwindigkeit und der Strichzahl ist, innerhalb des zeitlichen Winkelverlaufs verstärkt oder unterdrückt.
Geeigneterweise wird eine Phase der Schwingung bzgl. der Sinus- und/oder Cosinus-Spur bestimmt. Mit anderen Worten wird ermittelt, ob die betrachtete
Schwingung der jeweiligen Spur voraus- oder nacheilt. Beispielsweise erfolgt die Bestimmung der Phase mittels einer Fourier-Analyse, insbesondere einer schnellen Fouriertransformation (fast FFT), die auf die Schwingung und/oder die jeweilige Spur angewandt wird. Auf diese Weise ist es ermöglicht, in einem Arbeitsschritt eine Anzahl von Schwingungen innerhalb des zeitlichen Winkelverlaufs zu betrachten.
Besonders bevorzugt erfolgt die Ermittlung der Phase jedoch mittels des Goertzel- Algorithmuses und die Frequenz der Schwingung ist vor Anwendung des Algo- rithmuses bestimmt. Aufgrund der Verwendung des Goertzel-Algorithmus ist die Anzahl von Rechenoperationen reduziert, nämlich auf im Wesentlichen dem 8- fachen der verwendeten Messwerte, wobei bevorzugt lediglich eine einzige Frequenz während des Verfahrens analysiert wird. Zweckdienlicherweise wird dabei in demselben Arbeitsschritt die Amplitude der Schwingung ermittelt. Mit anderen Worten wird lediglich einmal der Goertzel-Algorithmus auf den zeitlichen Winkelverlauf angewandt, um sowohl die Amplitude als auch die Phase der Schwingung zu erhalten. Es ist jedoch ebenso möglich, den Goertzel-Algorithmus lediglich für die Ermittlung der Amplitude der Schwingung zu verwenden, unabhängig von der Ermittlung der Phase.
Falls die Phasendifferenz der Schwingung und der Sinus-Spur kleiner als ± 90° ist, wird geeigneterweise der Offset der Sinus-Spur erhöht. Mit anderen Worten wird als Korrekturfaktor der Offset der Sinus-Spur herangezogen und dieser vergrößert, wenn die Schwingung im zeitlichen Winkelverlauf der Sinus-Spur um weniger als 90° vorauseilt bzw. um weniger als 90° hinterherhinkt. In gleicher Weise wird zum Beispiel mit der Cosinus-Spur verfahren, um diese zu kalibrieren. Insbesondere falls die Anpassung der Spuren iterativ erfolgt, wird der jeweilige Offset um einen bestimmten, vorher festgelegten Wert verändert, also erhöht oder erniedrigt. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise einfache Ermittlung des Korrekturfaktors ermöglicht, ohne dass aufwändige Rechnungen getätigt werden müssen.
Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu wird der Offset der Sinus-Spur und/oder der Cosinus-Spur verringert, falls die Schwingung im zeitlichen Winkelverlauf der jeweiligen Spur um mehr als 90°, und zweckmäßigerweise weniger als 270°, vorauseilt. Auch hier ist die Ermittlung des Korrekturfaktors aufgrund der robusten Vorgehensweise vereinfacht. Zweckmäßigerweise wird sowohl bei der Sinus-Spur als auch der Cosinus-Spur je nach ermittelter Phasenlage der Offset entweder erhöht oder erniedrigt. Mit anderen Worten werden beiden Spuren in Abhängigkeit der Phasenlage der Schwingung verändert ohne dazwischen eine Neuberechnung des zeitlichen Winkelverlaufs vorzunehmen. Somit wird bei einer Anpassung beider Spuren die Amplitude der Schwingung vergleichsweise umfangreich reduziert. Sofern das Verfahren iterativ erfolgt, sind folglich lediglich vergleichsweise wenige Iterationsschritte bis zum Beenden des Verfahrens notwendig.
Beispielsweise werden in einem weiteren Verfahrensschritt die Amplituden der beiden Spuren aufeinander angepasst. Mit anderen Worten sind die Amplituden der Sinus- und der Cosinus-Spur gleichgroß. Die Anpassung erfolgt vorzugsweise mittels eines Minimum-Maximum-Vergleichs der beiden Spuren. Folglich wird bei jeder Spur sowohl das Maximum als auch das Minimum ermittelt, und die Differenz zwischen diesen als doppelte Amplitude herangezogen. Mittels Multiplikation der einzelnen Messwerte der Spuren mit einem geeigneten Faktor wird entweder die Sinus- oder die Cosinus-Spur derart angepasst, dass die Differenz zwischen dem nunmehr neuen Maximum zu dem neuen Minimum der entsprechenden Differenz der jeweils anderen Spur entspricht. Alternativ werden die Amplituden der beiden Spuren auf eine Hilfsgröße angepasst. In zweckmäßiger Weise erfolgt die Anpassung der Amplituden vor der ersten Berechnung des Winkels der elektrischen Maschine anhand der Sinus- und/oder Cosinus-Spur. Vielmehr werden die nunmehr amplitudenangeglichen Sinus- und/oder Cosinus-Spur zur Ermittlung des Korrekturfaktors verwendet. Mit anderen Worten ergeben die in dem erwähnten kartesischen Koordinatensystem aufgetragenen einzelnen einander zugeordneten Punkte der beiden Spuren einen Kreis und vorzugsweise den Einheitskreis.
Mittels der Anpassung der Amplituden aufeinander und insbesondere auf eine vorher festgelegte Amplitude werden weitere Schwingungen im zeitlichen Winkelverlauf vermieden, oder zumindest reduziert, deren Frequenz dem doppelten des Produktes aus der bestimmten Geschwindigkeit und der Strichzahl entspricht. Beispielsweise werden die Amplituden nach erfolgter Anpassung nicht weiter verändert. Alternativ hierzu ist es ebenso möglich, die Amplitude als, insbesondere zusätzlichen, Korrekturfaktor zu verwenden, und mittels einer Anpassung der Amplitude eine Schwingung im zeitlichen Winkelverlauf mit einer Frequenz von dem doppelten des Produktes aus der bestimmten Geschwindigkeit und der Strichzahl zu vermeiden oder zumindest die Amplitude dieser Schwingung zu verringern.
Zweckmäßigerweise wird vor der ersten Bestimmung des Winkels anhand mindestens einer der beiden Spuren der Offset der Sinus- und/oder Cosinus-Spur dahingehend verändert, dass das Integral über die jeweilige Spur entlang einer Periode gleich Null (0) ist. Mit anderen Worten wird der Offset der Sinus- bzw. der Cosinus-Spur auf den Wert gesetzt, bei dem die entsprechende Spur um die jeweilige Nulllinie schwingt. Folglich befindet sich der Mittelpunkt des aus den Werten der Sinus- und Cosinus-Spur gebildeten Kreis in dem erwähnten kartesischen Koordinatensystem auf dessen Ursprung. Die Ermittlung dieses Offsets, mittels dessen das erste Mal der Winkel und der erste Winkelverlauf bestimmt werden, erfolgt beispielsweise mittels Integrieren oder eines Minimum-Maximum- Vergleichs. Bei diesem wird die jeweilige Spur dahingehend verschoben, dass der Betrag des Minimums dem Betrag des Maximums der jeweiligen Spur entspricht. Geeigneterweise erfolgt dieses erste Setzen des Offsets in einem Schritt mit der Amplitudenanpassung, sofern diese erfolgt. Aufgrund der ersten Wahl des Offsets ist bei einer anschließenden Ermittlung des Korrekturfaktors der Betrag des Korrekturfaktors vergleichsweise gering, sofern der Offset als Korrekturfaktors herangezogen wird. Insbesondere falls die Anpassung iterativ erfolgt ist bei einer ersten Wahl des Offsets dahingehend, dass das Integral über die Periode gleich Null (0) ist, lediglich eine geringe Anzahl von Iterationsschritten erforderlich.
Alternativ oder in Kombination zur Anpassung der Amplitude und/oder des Offsets vor der ersten Berechnung des Winkels und dessen zeitlichen Verlaufs wird die Phase zwischen den beiden Spuren angepasst, so dass die Cosinus-Spur einer um 90° verschobenen Sinus-Spur entspricht. Vorzugsweise wird vor der ersten Berechnung des Winkels, des zeitlichen Verlaufs und der Bestimmung einer Schwingung innerhalb dessen die Sinus-Spur und die Cosinus-Spur, die hierfür verwendet werden, dahingehend angepasst, dass der zweidimensionale Auftrag der mittels der beiden Spuren erstellten Werte in dem erwähnten kartesischen Koordinatensystem, bei dem der Cosinus und der Sinus jeweils eine Achse bilden, einen um den Ursprung konzentrischen Einheitskreis ergeben. Danach wird das erste Mal der der Winkel und der zeitliche Winkelverlauf gebildet und hierin die Schwingung ermittelt, wobei hierfür die angepassten Spuren verwendet werden. Je nach der Frequenz der Schwingung wird in einem weiteren Schritt entweder der Offset, die Amplitude oder die Phase als Korrekturfaktor weiter angepasst, so dass die Amplitude der Schwingung unterhalb des Grenzwertes oder gleich diesem ist.
Zweckmäßigerweise wird als bestimmte Geschwindigkeit, auf die die elektrische Maschine geregelt wird, eine konstante Geschwindigkeit herangezogen. Beispielsweise ist die bestimmte Geschwindigkeit derart gewählt, dass die Frequenz der Schwingung zwischen 50 Hz und 200 Hz liegt. Falls der Drehgeber eine Strichzahl von 1024 aufweist, und als Frequenz das Produkt aus der bestimmten Geschwindigkeit und der Strichzahl herangezogen wird, liegt die bestimmte Geschwindigkeit somit zwischen 2,9 Umdrehungen pro Minute (U/min) und 12 U/min. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Rotor der elektrischen Maschine im Wesentlichen gleichmäßig läuft und die in dem zeitlichen Winkelverlauf bestimmte Schwingung nicht aufgrund einer Beschleunigung oder Abbremsung des Rotors hervorgerufen wird.
Beispielsweise erfolgt die Regelung der elektrischen Maschine auf die bestimmte Geschwindigkeit auf einem Prüfstand und die tatsächliche Geschwindigkeit, die mit der bestimmte Geschwindigkeit verglichen wird, wird anhand eines weiteren, bereits kalibrierten Drehzahlmessers ermittelt. Zweckmäßigerweise jedoch erfolgt die Regelung der elektrischen Maschine auf die bestimmte Geschwindigkeit mittels des zu kalibrierenden Drehzahlgebers selbst, da der mittels der Kalibrierung zu beseitigende Fehler vergleichsweise klein ist.
Die vorzugsweise als Steuergerät ausgebildete Geberauswertung ist, insbesondere schaltungs- und/oder programmtechnisch dazu eingerichtet und vorgesehen, das Verfahren durchzuführen. Hierfür weist das Steuergerät beispielsweise einen Speicher auf, von dem das Programm in einen Mikroprozessor geladen wird. Alternativ ist der Mikroprozessor bereits als anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) ausgestaltet. Zweckmäßigerweise umfasst die Geberauswertung einen Speicher zur Aufnahme der von dem Drehgeber gelieferten Sinus- und Cosinus- Spur, der zum Beispiel als Ringspeicher ausgestaltet ist. Ferner weist die Geberauswertung bevorzugt einen Speicher zur Hinterlegung des jeweiligen Korrekturfaktors auf.
Die Geberauswertung bzw. das Steuergerät ist beispielsweise Bestandteil einer elektrischen Maschine mit einem Drehgeber, oder die elektrische Maschine ist mittels des Verfahrens kalibriert, im speziellen der Drehgeber. Beispielsweise ist hierfür der ermittelte Korrekturfaktor in einem Speicher des Drehgebers oder einer Steuerelektronik der elektrischen Maschine hinterlegt. Zumindest weist die als Elektromotor ausgestaltete elektrische Maschine eine Schwankung der mittels der Sinus- und/oder Cosinus-Spur berechneten Winkelgeschwindigkeit um die tatsächliche Geschwindigkeit eine Schwankung von weniger als 2° pro Sekunde auf, insbesondere bei einer tatsächlichen Geschwindigkeit von zwischen 50 U/min und 70 U/min. Beispielsweise weist der Elektromotor ein Drehmoment zwischen 300 und 1000 Nm und/oder eine Leistung zwischen 5 kW und 150 kW auf. Zum Beispiel liegt die bestimmte Geschwindigkeit während des Betriebs zwischen 50 U/min und 1000 U/min. Folglich ist es möglich, den Elektromotor bei einer Offset- druckmaschine zu verwenden, die z.B. mittels Endlospapier gespeist wird, wobei dennoch aufgrund des Wissens um die aktuelle Winkelposition des Rotors und dessen Geschwindigkeit ein präzises Druckbild erstellt werden kann. Auch ist bei einem Einsatz des Elektromotors bei einer Spritzgussmaschine die exakte Dossie- rung des zu spritzenden Materials ermöglicht. Insbesondere ist der Elektromotor Bestandteil einer Offsetdruckmaschine oder einer Spritzgussmaschine.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Elektromotor mit einem Drehgeber,
Fig. 2 ein Verfahren zur Kalibrierung des Drehgebers, Fig. 3a-c Zwischenschritte des Verfahrens, und
Fig. 4 einen alternativen zeitlichen Winkelverlauf.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mir den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Elektromotor 2 dargestellt, der mittels eines Umrichters 3 mit einem Dreiphasenwechselstrom list versorgt wird. Der Umrichter 3 selbst wird mittels eines Stromreglers 4 und eines Drehzahlreglers 5 betrieben, dem sowohl der Wert des Wechselstrom ljst als auch eine aktuelle Drehzahl nistdes Elektromotors 2 und eine bestimmte Geschwindigkeit nS0n zugeführt wird. Aus diesen Eingaben wird ein Sollstrom lson berechnet und dem Stromregler 4 übermittelt, nach dessen Vorgaben nicht dargestellte Stromventile des Umrichters 3 betätigt werden. Die bestimmte Geschwindigkeit nson wird dabei je nach Abhängigkeit von Anforderungen an den Elektromotor 2 mittels einer Sollwertvorgabeeinheit 6 vorgegeben oder aber auch, falls ein Kalibrierungslauf des Elektromotors 2 gestartet wird.
Die aktuelle Drehzahl nistwird mittels eines nach dem einem photoelektrischen Prinzip arbeitenden Inkrementalgebers 8 ermittelt, der B-seitig an einer Welle einer Rotor-Stator-Einheit 10 angeflanscht ist. Der Inkrementalgeber 8 weist eine Strichzahl 12 auf, die 512 beträgt, wobei pro Umdrehung des Inkrementalgebers 8 eine Anzahl von 512 Impulsen erfasst und sowohl eine Sinus-Spur 14 als auch eine Cosinus-Spur 16 erstellt wird, wobei die Frequenz der Schwingungen in den jeweiligen Spuren 14, 16 dem Produkt aus der aktuellen Drehzahl nist und der Strichzahl 12 entspricht. Mit anderen Worten wird pro Vollumdrehung des Rotors innerhalb des Stators mittels des Inkrementalgebers pro Sinus- bzw. Cosinus- Spur 14, 16 eine Anzahl von 512 Vollperioden aufgezeichnet.
Die Sinus-Spur 14 und die Cosinus-Spur 16 werden einer Geberauswertung 18 zugeführt und in einem Ringspeicher abgelegt. Mittels der Geberauswertung 18 wird der Inkrementalgeber 8 kalibriert, indem die aufgenommene Sinus-Spur 14 und Cosinus-Spur 16 in eine kalibrierte Sinus-Spur 14a und eine kalibrierte Cosi- nus-Spur 16a überführt werden. Hierfür ist ein Satz von Korrekturfaktoren 20 in einem Speicher der Geberauswertung 18 hinterlegt, die bei dem Kalibrierungslauf des Elektromotors 2 mittels des der Geberauswertung 18 ermittelt werden. Aufgrund der Kalibrierung der elektrischen Maschine 2 ist eine hochpräzise Ermittlung der Lage des Rotors bzgl. des Stators und hieraus eine Berechnung einer Winkelgeschwindigkeit 22 möglich, die um die tatsächliche aktuelle Drehzahl nist um weniger als 2° pro Sekunde schwankt. Dabei ist die Drehzahl nist zwischen einer und zehn Umdrehungen pro Sekunde, wobei das aufgebrachte Drehmoment bei 400 Nm und die Leistung bei 35 kW liegt. Aufgrund dessen ist es möglich, den Elektromotor 2 bei einer Offsetdruckanlage zu verwenden, mittels derer beispielsweise Zeitungen gedruckt werden.
In Fig. 2 ist in einem Flussdiagramm schematisch ein Verfahren 24 zum Kalibrieren des Inkrementalgebers 8 gezeigt. Nach einem Startereignis 26 das automatisch nach der Montage des Elektromotors 2 oder händisch von einer Bedienperson des Elektromotors 2 ausgelöst wird, wird der Elektromotor 2 in einem Regelschritt 28 auf die bestimmte Geschwindigkeit nS0n mittels des Drehzahlreglers 5 geregelt, wobei die bestimmte Geschwindigkeit nSOii von der Sollwertvorgabeeinheit 6 zur Verfügung gestellt wird. Die bestimmte Geschwindigkeit nsou ist konstant und beträgt eine Umdrehungen pro Sekunde oder 60 U/min. Folglich wird jede 1/512 s (Sekunde) ein mittels des Inkrementalgebers 8 ermittelter Strich erwartet. Falls beispielsweise zwischen zwei aufeinander folgenden Strichen eine Zeit von mehr als 2 Millisekunden vergeht, wird mittels der Regelung 6 die Drehzahl erhöht, falls der zeitliche Abstand hingegen geringer als 1 ,5 Millisekunden ist, ist die Drehzahl erniedrigt, bis der Abstand einem 1/512 s entspricht.
Sobald die aktuelle Drehzahl nist hinreichend genau der bestimmten Geschwindigkeit nson entspricht wird in einem Aufnahmeschritt 30 der Sinus- und Cosinus-Spur 14, 16 mittels des Inkrementalgebers 8 erfasst und in den Ringspeicher der Geberauswertung 18 abgelegt. In einem Offset-Anpassungsschritt 32 und einem Amplituden-Anpassungsschritt 34 wird sowohl die Sinus-Spur 14 als auch die Cosinus-Spur 16 dahingehend angepasst, dass deren jeweiliger Offset O einem Wert von Null (0) und die jeweilige Amplitude A einem Wert von 1.024 bit ent- spricht. Mit anderen Worten entspricht das Minimum der Amplituden gleichgerichteten Sinus- und der Cosinus-Spur 14, 16 einem Wert von - 1.024 und das Maximum 1.024.
In einem sich daran anschließenden Winkelermittlungsschritt 36 wird ein Winkel 38 des Rotors bzgl. des Stators berechnet (Fig. 4). Dabei wird Arctan(Sinus-Spur 14/Cosinus-Spur 16) als Winkel 38 herangezogen. Der Winkel 38 wird für jeden Messwert der Sinus- und Cosinus-Spur 14, 16 erstellt, so dass hieraus die Winkelgeschwindigkeit 22 als zeitlicher Winkelverlauf in einem Geschwindigkeitser- mittlungsschritt 40 ermittelt werden kann. Hierfür wird die Differenz zweier aufeinander folgender Winkel 38 gebildet und durch den zeitlichen Abstand zwischen den zur Ermittlung der Winkel 38 verwendeten Punkte der Sinus- und Cosinus- Spur 14, 16 geteilt.
In einem Analyseschritt 42 wird die Winkelgeschwindigkeit 22 mittels des
Goertzel-Algorithmus analysiert, wobei als Frequenz das Produkt der bestimmten Geschwindigkeit nS0n und der Strichzahl 12 verwendet wird. Folglich wird in dem Analyseschritt 42 die Amplitude A und eine Phase P einer Schwingung 44 (Fig. 3b) mit der Frequenz des Produkts der bestimmten Geschwindigkeit nS0n und der Strichzahl 12 in der Winkelgeschwindigkeit 22 ermittelt. Ferner wird in dem gleichen Schritt 42 die Sinus- und Cosinus-Spur 14, 16 mittels des Goertzel- Algorithmus untersucht und deren jeweilige Phase P bestimmt.
In einem sich daran anschließenden Vergleichsschritt 46 wird die Amplitude A der Schwingung 44 mit einem Vergleichswert 48a verglichen, der bei Start des Verfahrens 24, also im Wesentlichen gleich nach Eintritt des Startereignisses 26, zunächst auf einen Maximalwert gesetzt wird, zum Beispiel 1024 bit. Falls die Amplitude A der Schwingung 44 kleiner als der Vergleichswert 48a ist, wird der bisherige Vergleichswert 48a mit der Amplitude A der Schwingung 44 überschrieben, und in einem Phasenvergleichsschritt 50 die in dem Analyseschritt 46 ermittelten Phasen P der Schwingung 44 bzgl. der Sinus- und Cosinus-Spur 14, 16 verglichen. Wenn die Phase P der Schwingung 44 bzgl. der Sinus-Spur 14 größer als + 270° und kleiner als + 90° ist wird der Offset O der Sinus-Spur 14 in einem Offset- Korrekturschritt 52 erhöht. Falls die Phase P der Schwingung 44 in der Winkelgeschwindigkeit 22 bzgl. der Sinus-Spur 14 als größer + 90° und kleiner als + 270° ist, wird der Offset O der Sinus-Spur 14 um 1 bit erniedrigt. In diesem Fall entspricht das Maximum der Sinus-Spur 14 einem Wert von 1.023 und das Minimum -1.025. In dem Offset-Korrekturschritt 52 wird neben der Sinus-Spur 14 auch die Cosinus-Spur 16 über deren Offset O korrigiert, wobei ebenfalls der Offset O erhöht wird, falls die Phase P der Schwingung 44 bzgl. der Cosinus-Spur 16 zwischen - 90° und + 90° liegt, also die Schwingung 44 der Cosinus-Spur 16 um weniger als 90° hinterher oder vorweg eilt. In den übrigen Fällen wird der Offset O der Cosinus-Spur 16 erniedrigt, und zwar um 1 bit.
Nach der Anpassung der beiden Spuren 14, 16 in dem Ringspeicher der Geberauswertung 18 mittels des jeweiligen Offsets O wird in einer iterativen Weise erneut der Winkelermittlungsschritt 36 ausgeführt und der Winkel 38 ermittelt, jedoch anhand der angepassten Spuren 14, 16. Hiernach wird mittels der neuerstellten Winkel 38 die Winkelgeschwindigkeit 22 und die Amplitude A der Schwingung 44 bestimmt und mit dem neu erstellten Vergleichswert 48a verglichen, also der Amplitude A der Schwingung 44 vor der letzten Anpassung der Offsets O der Sinus- und Cosinus-Spur 14, 16. Falls die nunmehr vorhandene Amplitude A weiterhin kleiner oder gleich dem Vergleichswert 48a ist, wird erneut der Offset O der beiden Spuren 14, 16 um jeweils ein bit erhöht oder erniedrigt, je nach Phasenlage der Schwingung 44 zur jeweiligen Spur 14, 16.
Sofern die Amplitude A größer als der Vergleichswert 48a ist, wird der Vergleichswert 48a als ein Grenzwert 48 herangezogen. Mit anderen Worten ist der Grenzwert 48 zumindest ein lokales Minimum der Amplitude A der Schwingung 44 in Abhängigkeit der Offsets O der Sinus- und Cosinus-Spur 14, 16. Falls die Amplitude A der Schwingung 44 kleiner oder gleich diesem Grenzwert 44 ist, wird in einem Hinterlegungsschritt 50 in dem Speicher der Geberauswertung 18 die in den Anpassungsschritten 32, 34, 52 ermittelten Amplituden und Offsets A, O als Korrekturfaktor 20 hinterlegt. Die Offsets O der Sinus- und Cosinus-Spur 14, 16 entsprechen dabei den Offsets O vor der Ausführung des zeitlich letzten Offset- Korrekturschritts 52. Nach dem Ablegen der Korrekturfaktoren 20 in den Speicher erreicht das Verfahren 24 ein Ende 56, und die Korrekturfaktoren 20 werden nunmehr zur Berechnung der korrigierten Sinus- und Cosinus-Spur 14a, 16a verwendet.
Fig. 3a ist der zeitliche Verlauf der Sinus-Spur 14 und der Cosinus-Spur 16 dargestellt, wie diese nach dem Aufnahmeschritt 30 vorliegen. So weist die Sinus-Spur 14 einen negativen Offset O und eine Amplitude A auf, die größer als 1.024 bit ist. Die Amplitude A der Cosinus-Spur 16 hingegen ist kleiner als 1.024 bit und deren Offset O positiv. In Fig. 3b sind die nach den Anpassungsschritten 32, 34 amplitu- den- und offsetgleich gerichteten Sinus- und Cosinus-Spuren 14, 16 dargestellt deren jeweiliger Offset O einem Wert von Null (0) und deren Amplitude 1.024 bit entspricht. Die Bestimmung der beiden Parameter A, O jeder Spur 14, 16 erfolgt entweder mittels Integrieren über eine Periode, eines Minimum/Maximum- Vergleichs oder einem Anwenden des Goertzel-Algorithmus auf die jeweilige Spur 14, 16. In der berechneten Winkelgeschwindigkeit 22 deren Skalierung zur Darstellung im Diagramm verändert wurde, ist die Schwingung 44 mit der Amplitude A erkennbar. Die Phase P der Schwingung 44 bzgl. der Sinus-Spur 14 beträgt in etwa 260° und die Phase P der Schwingung 44 bzgl. der Cosinus-Spur 16 in etwa 350°. Folglich wird im Offset-Korrekturschritt 56 der Offset O der Sinus-Spur 14 erniedrigt und der Offset O der Cosinus-Spur 16 zunächst erhöht.
In Fig. 3c ist der Verlauf der kalibrierten Sinus- und Cosinus-Spur 14a, 16a gezeigt, bei denen innerhalb der Winkelgeschwindigkeit 22 keine Schwingung 44 mehr erkennbar ist. Die korrigierte Sinus-Spur 14a, weist einen leicht negativen Offset O und die korrigierte Cosinus-Spur 16a einen positiven Offset O auf, wobei diese Offsets O neben den jeweiligen Amplituden A als Korrekturfaktor 20 im Hinterlegungsschritt 50 in der Geberauswertung 18 hinterlegt werden.
In Fig. 4 ist ein alternativer zeitlicher Winkelverlauf 38 mit der Schwingung 44 gezeigt. Als zeitlicher Winkelverlauf wird der jeweilige Winkel 38 selbst herangezogen, so dass sich zwischen den einzelnen Strichen des Inkrementalgebers 8 ein sägezahnförmiger verlaufender optimaler Winkel 58 ergeben würde. Um diesen schwankt der berechnete Winkel 38 um die Amplitude A der Schwingung 44.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
2 Elektromotor
3 Umrichter
Stromregler
5 Drehzahlregler
Sollwertvorgabeeinheit
Inkrementalgeber
10 Rotor-Stator-Einheit
12 Strichzahl
14 Sinus-Spur
14a kalibrierte Sinus-Spur
16 Cosinus-Spur
16a kalibrierte Cosinus-Spur
18 Geberauswertung
20 Korrekturfaktor
22 Winkelgeschwindigkeit
24 Verfahren
26 Startereignis
28 Regelschritt
30 Aufnahmeschritt
32 Offset-Anpassungsschritt
34 Amplituden-Anpassungsschritt
36 Winkelermittlungsschritt
38 Winkel
40 Geschwindigkeitsermittlungsschritt
42 Analyseschritt
44 Schwingung
46 Vergleichsschritt
48 Grenzwert
48a Vergleichswert
50 Phasenvergleichsschritt
52 Offset-Korrekturschritt 54 Hinterlegungsschritt
56 Ende
A Amplitude
list Wechselstrom
oii Sollstrom
nist aktuelle Drehzahl nson bestimmte Geschwindigkeit
O Offset
P Phase

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (24) zum Kalibrieren eines eine Sinus-Spur (14) und eine Cosinus-Spur (16) ausgebenden Drehgebers (8), insbesondere Inkrementalge- ber, einer elektrischen Maschine (2), der eine Strichzahl (12) aufweist, bei dem
- die elektrische Maschine (2) auf eine bestimmte Geschwindigkeit (ns0n) geregelt wird,
- ein Winkel (38) der elektrischen Maschine (2) anhand der Sinus-Spur (14) und/oder der Cosinus-Spur (16) bestimmt wird,
- hieraus ein zeitlicher Winkelverlauf (22) ermittelt wird,
- eine Schwingung (44) in dem zeitlichen Winkelverlauf (22) mit einer Frequenz von im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen des Produkts aus der bestimmten Geschwindigkeit (nson) und der Strichzahl (12) ermittelt wird, und
- hieraus ein Korrekturfaktor (20) der Sinus-Spur (14) und/oder der Cosinus-Spur (16) abgeleitet wird, bei dem die Amplitude (A) der Schwingung (44) kleiner oder gleich einem Grenzwert (48) ist.
2. Verfahren (24) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestimmung des Korrekturfaktors (20) iterativ erfolgt, insbesondere mittels Neubestimmung des Winkels (38) und des zeitlichen Winkelverlaufs (22).
3. Verfahren (24) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass als zeitlicher Winkelverlauf (22) die Winkelgeschwindigkeit, als Frequenz das Produkt aus der bestimmten Geschwindigkeit (nS0n) und der Strichzahl (12) und/oder als Korrekturfaktor (20) der Offset (O) der Sinus- Spur (14) bzw. der Cosinus-Spur (16) herangezogen wird.
4. Verfahren (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Phase (P) der Schwingung (44) bzgl. der Sinus-Spur (14) und/oder der Cosinus-Spur (16) bestimmt wird, insbesondere mittels des Goertzel Algorithmus.
5. Verfahren (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Offset (O) der Sinus-Spur (14) und/oder der Cosinus-Spur (16) erhöht wird, falls die Phase (P) bzgl. der Sinus-Spur (14) bzw. der Cosinus- Spur (16) kleiner als ± 90° ist.
6. Verfahren (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Offset (O) der Sinus-Spur (14) und/oder der Cosinus-Spur (16) verringert wird, falls die Phase (P) bzgl. der Sinus-Spur (14) bzw. der Cosinus-Spur (16) größer als ± 90° ist.
7. Verfahren (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Amplituden (A) der Sinus-Spur (14) und der Cosinus-Spur (16) aufeinander angepasst werden.
8. Verfahren (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor der ersten Bestimmung des Winkels (38) der Offset (O) der Sinus- Spur (14) und/oder der Cosinus-Spur (16) derart festgelegt wird, dass das Integral über eine Periode gleich Null ist, insbesondere mittels eines Minimum/Maximum-Vergleichs.
9. Verfahren (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass als bestimmte Geschwindigkeit (nson) eine konstante Geschwindigkeit gewählt wird.
10. Geberauswertung (18), die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen. 1. Elektromotor (2) mit einem Drehgeber (8), der insbesondere gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 kalibriert ist, oder mit einer Geberauswertung (18) nach Anspruch 10.
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