Korrektur der Ankerposition einer Gleichstrommaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Korrektur von Abweichungen bei der Ermittlung einer

Ankerposition einer mechanisch kommutierten Gleichstrommaschine, insbesondere eines Gleichstrommotors, durch

Auswertung des Zeitverlaufs einer mit der Drehung eines Ankers korrelierten Messgröße, mit einer Messeinheit zur Bestimmung der Messgröße, mit einem mit der Messeinheit verbundenen Speicher und mit einer Recheneinheit, welche mit der Messeinheit und mit dem Speicher verbunden ist und zur Auswertung der von der Messeinheit gemessenen Messwerte eingerichtet ist.

Insbesondere betrifft die Erfindung auf Gleichstrommotoren basierende Antriebslösungen im KFZ-Bereich, z.B. bei Fenster- und Schiebedachantrieben, Sitzverstellantrieben,

Lüftungsklappenantrieben und ABS-Aktuatoren, und die

Positionsbestimmung der entsprechenden mechanischen Systeme, d.h. der jeweils angetriebenen Stellteile.

Zur Positionsbestimmung von Antrieben mit mechanisch

kommutierten Gleichstrommaschinen und daran angeschlossenen mechanischen Systemen kann als Messwert beispielsweise die Welligkeit des Maschinenstroms (Kommutierungsstromrippel , nachstehend kurz als „Stromrippel" oder „Rippel" bezeichnet) der Gleichstrommaschine mittels Strommessung detektiert, gezählt und gemeinsam mit der Richtungsinformation, die aus der an der Maschine anliegenden bzw. am Motor angelegten Spannungsrichtung bekannt ist, einem Positionszähler zugeführt werden (sog. „current ripple counting algorithm", Stromrippelzählverfahren) . Alternativ oder zusätzlich zum Kommutierungsstromrippel kann auch ein vorhandener Lastmomentrippel , welcher z.B. durch eine exzentrische Motorwelle, bei einer Radialkolbenpumpe oder auch im Getriebe eines Antriebs entstehen kann, gemessen und durch ein (drehzahlabhängiges) Filter aus einem Stromsignal extrahiert werden. Als weitere Messgröße käme z.B. im Generatorbetrieb auch die Auswertung der Gegen-EMK-Spannung (Back-EMF) in Frage, welche direkt proportional der Motordrehzahl ist. Derartige Antriebssysteme haben in der Regel eine gewisse mechanische Selbsthemmung, sodass es nicht zu starken Drehbewegungen der Ankerwelle bei nicht angesteuertem Motor aufgrund von

mechanischen Vorspannungen im System (z.B. wenn bei einem

Fensterheber mit vollständig geschlossener Scheibe die Scheibe in eine obere Gummidichtung gepresst wird) oder durch mechanische Vibrationen kommt.

Neben solchen Ankerwellenverdrehungen bei nicht bestromtem Motor kann außerdem beim Anlauf oder Auslauf, bei elektromagnetischen Störungen, bei mechanischen Störungen wie abhebende Bürsten der Fall eintreten, dass ein oder mehrere Stromrippel nicht richtig erkannt werden. Wird die Gleichstrommaschine mittels Relais angesteuert, kann ein Kontaktprellen der Relais ebenfalls zu einer fehlerhaften Detektion der Stromrippel führen. Durch die genannten Effekte und die dadurch verursachten Fehler bei der Rippel-Detektion kann es dementsprechend zu fehlerhaften Positionswerten der ermittelten Position kommen, wobei sich die Fehler insbesondere bei wiederholten Start-/Stopp-Zyklen auch akkumulieren können. Eine solche Fehler-Akkumulation, die unter Umständen zu erheblichen Fehlern der ermittelten Position führen kann, ist bei vielen Anwendungen, insbesondere bei

sicherheitsrelevanten Funktionen, nicht akzeptabel.

Um derartigen Fehlern bzw. bestimmten Fehlerquellen entgegen zu wirken oder zumindest um eine Akkumulation der Positionsfehler zu begrenzen, wurden im Stand der Technik bereits verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen: beispielsweise schlägt die

DE 100 28 037 AI eine näherungsweise Bestimmung des während des Auslaufs des Ankers zurückgelegten Drehwinkelbetrags vor (ein so genannter Anlauf-Auslauf-Schätzer) , um nicht erkannte

Stromrippel zu korrigieren. Anlauf-Auslauf-Schätzer haben allerdings eine begrenzte Zuverlässigkeit. Insbesondere können sie geringfügige Winkelbewegungen der Motorwelle, bei

Motorstillstand, verursacht durch mechanische Systemvor- Spannungen oder Vibrationen, nicht zuverlässig erkennen; des Weiteren existieren Motor-Beobachtermodelle, die auf Basis von Rotationsgeschwindigkeitsinformation bei elektromagnetischen ^

oder mechanischen Störungen, wie abhebende Bürsten, fehlende oder doppelte Stromrippel korrigieren; schließlich beschreibt die DE 10 2007 050 173 B3 ein Verfahren zur Korrektur des Positionszählers basierend auf einer abgespeicherten

Verschiebekraftkennlinie . Die bekannten Verfahren sind demzufolge von der Genauigkeit zusätzlicher Messungen abhängig und eignen sich nur begrenzt für Anwendungen bei oder nahe dem Motorstillstand .

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine weitere Korrekturmöglichkeit vorzuschlagen, welche in der Lage ist, auch geringfügige

Verdrehungen der Ankerwelle zu erkennen und die ermittelte Position bzw. Phasenlage des Ankers entsprechend zu korrigieren.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angeführten Art durch die folgenden Schritte gelöst:

- Ermittlung und Abspeicherung von Ist-Daten, die einen Zeitverlauf der Messgröße ausgehend von einer aktuellen

Phasenlage entsprechend einer tatsächlichen Ankerposition charakterisieren,

- Berechnung einer relativen Abweichung der aktuellen

Phasenlage von einer entsprechend einer ermittelten

Ankerposition angenommenen Phasenlage unter Verwendung von Referenz-Daten, die einen Zeitverlauf der Messgröße ausgehend von einer Referenz-Phasenlage eines Ankers der Gleichstrom ^¬ maschine, insbesondere ausgehend von einer Referenz- Ankerposition, charakterisieren, und der Ist-Daten, und

- Korrektur der ermittelten Ankerposition unter Verwendung der berechneten relativen Abweichung.

In entsprechender Weise ist bei der erfindungsgemäßen

Einrichtung die Recheneinheit zur Ermittlung und Abspeicherung von Ist-Daten, die einen Zeitverlauf der Messgröße ausgehend von einer aktuellen Phasenlage entsprechend einer tatsächlichen Position des Ankers charakterisieren, zur Berechnung einer relativen Abweichung der aktuellen Phasenlage von einer entsprechend einer ermittelten Ankerposition angenommenen Phasenlage unter Verwendung von Referenz-Daten, die einen Zeitverlauf der Messgröße ausgehend von einer Referenz-Phasenlage eines Ankers der Gleichstrommaschine, insbesondere ausgehend von einer Referenz-Ankerposition, charakterisieren, und der Ist-Daten, sowie zur Korrektur einer ermittelten Ankerposition unter Verwendung der berechneten relativen Abweichung eingerichtet.

Mit einem Zeitverlauf ist in diesem Zusammenhang eine Liste von unterschiedlichen, aufeinander folgenden Zeitpunkten

entsprechenden Werten gemeint. Ein Zeitverlauf einer Messgröße umfasst somit im Allgemeinen mehrere, z.B. nacheinander gemessene, Messwerte. Die einzelnen Messwerte können dabei einem absoluten Zeitpunkt oder einem relativen Zeitpunkt, welcher einem Zeitabstand zwischen dem einzelnen Messwert und dem ersten Messwert des Zeitverlaufs entspricht, zugeordnet sein.

Selbstverständlich muss die Recheneinheit nicht als einzelnes, separates Bauelement vorliegen, sondern es ist im Rahmen der Erfindung auch ein Zusammenspiel mehrerer Komponenten oder auch einer bzw. mehrerer mit dem Speicher integrierten Recheneinheit (en) denkbar, so dass die beanspruchte Recheneinheit tatsächlich beispielsweise einem System von nach Aufgaben verteilten Komponenten entspricht.

Die Referenz-Phasenlage bzw. Referenz-Ankerposition entspricht grundsätzlich einer beliebig festgelegten Stellung des Ankers der Gleichstrommaschine, welche als fester Ausgangspunkt für die Aufzeichnung der Referenz-Daten verwendet und als solcher vorzugsweise auch bei der Positionsermittlung berücksichtigt wird. Der Zeitverlauf der Messgröße entspricht einer Reihe von, beispielsweise während zumindest einer vollen Umdrehung des Ankers, gemessenen Messwerten, wobei jedem Zeitpunkt je nach Winkelgeschwindigkeit des Ankers während der Aufzeichnung eine bestimmte Phasenlage des Ankers entspricht. Die Referenz- Phasenlage entspricht dabei beispielsweise einem Start- oder Endzeitpunkt des Zeitverlaufs. Demzufolge ist der Zeitverlauf der Messgröße analog bzw. bei bekannter Winkelgeschwindigkeit auch als Phasenwinkelverlauf der Messgröße interpretierbar. Bei der Ermittlung der Ist-Daten ist die aktuelle Phasenlage des Ankers andererseits naturgemäß unbekannt bzw. kann ausgehend von einer unabhängigen Positionsermittlung (nach einem bekannten Verfahren) eine ungefähre Phasenlage ermittelt und angenommen werden. Die Ermittlung der Ist-Daten beginnt somit im Allgemeinen nicht bei der Referenz-Phasenlage und der durch die Ist-Daten charakterisierte Zeit- bzw. Phasenwinkelverlauf ist im

Allgemeinen gegenüber dem durch die Referenz-Daten

charakterisierten Zeit- bzw. Phasenwinkelverlauf (phasen-) verschoben. Der Wert dieser Verschiebung kann auf an sich bekannte Weise durch einen Vergleich der Ist-Daten mit den Referenz-Daten berechnet und mit der auf Basis der

Positionsermittlung angenommenen Phasenlage verglichen werden. Falls aus diesem Vergleich eine relative Abweichung resultiert, kann der Wert dieser Abweichung bei künftigen Positionsermittlungen berücksichtigt und somit die ermittelte

Ankerposition korrigiert werden.

Eine besonders einfach, insbesondere mit meist ohnehin vorhandenen Messmitteln, zu ermittelnde Messgröße liegt vor, wenn die Messgröße entweder die bei einer Kommutierung auftretenden Stromwelligkeit des Maschinenstroms oder die Motordrehgeschwindigkeit oder das Signal eines mit dem Anker gekoppelten Kodierers ist.

Wenn die Referenz-Daten vor der ersten Korrektur ermittelt und abgespeichert werden, kann das individuelle Verhalten des Motors, d.h. eine individuelle Charakteristik eines Zeitverlaufs der Messgröße ausgehend von der Referenz-Phasenlage des Ankers, analysiert und für spätere Korrekturen verwendet werden. Etwaige Schwankungen im Sinne einer Exemplarstreuung spielen in diesem Fall keine Rolle bzw. werden durch die individuelle Ermittlung der Referenz-Daten kompensiert. Dementsprechend kann die Recheneinheit vorteilhafter Weise zur Ermittlung und

Abspeicherung der Referenz-Daten eingerichtet sein.

Andererseits ist es für eine einfache, rasche und günstige Initialisierung bzw. Herstellung vorteilhaft, wenn die

Referenz-Daten vorgegebene, insbesondere für den Typ der Gleichstrommaschine allgemein gültige, Erkennungsmerkmale des Zeitverlaufs der Messgröße aufweisen. Diese können beispiels- _r

weise in einer Auswertesoftware fest implementiert oder konfigurierbar abgespeichert werden. Beispiele für solche Erkennungsmerkmale sind bekannte (z.B. konstruktionsbedingte) Korrelationen zwischen der Frequenz von getrennt feststellbaren Signalen, wie einem Kommutierungsstromrippel , einem

Lastmomentrippel und/oder einer gemessenen Motordrehzahl. Durch die Verwendung derartiger zusätzlicher Messgrößen auf Basis getrennt feststellbarer Signale, können auch etwaige

Abweichungen zwischen den Messwerten, d.h. welche die bekannten Korrelationen nicht einhalten, zumindest erkannt oder aber korrigiert werden, was die Zuverlässigkeit des vorliegenden Verfahrens weiter verbessert.

Dass die Referenz-Daten einen Zeitverlauf der Messgröße charakterisieren, bedeutet nicht, dass der Zeitverlauf selbst oder nur bestimmte quantitative Eigenschaften des Zeitverlaufs ermittelt bzw. verarbeitet werden können. Stattdessen können bei dem vorliegenden Verfahren erfindungsgemäß auch zwei aus dem Zeitverlauf der Ist-Daten extrahierbare Signale miteinander in Beziehung gesetzt werden, wobei in diesem Fall die Regeln dieser Beziehung, d.h. das Verfahren zur Extraktion der Signale sowie zur Bewertung der Beziehung, die Referenz-Daten bilden.

Beispielsweise können in einem Zeitverlauf des Motorstroms vorhandene, überlagerte Stromrippel (z.B. Lastmomentrippel, Kommutierungsstromrippel oder Harmonische davon) durch entsprechende Bandpassfilter aus einem einzelnen Signal (z.B. einem Stromsignal) extrahiert und separiert werden. In diesem Fall können die Bandpassfilter drehzahlabhängig konfiguriert sein, d.h. eine entsprechende Korrelation bzw. ein Verhältnis zwischen der Motordrehzahl und dem jeweils zu extrahierenden Signal aufweisen. Vorteilhaft umfassen somit die Referenz-Daten Beziehungen bzw. Verhältnisse zweier aus einem Zeitverlauf der Messgröße extrahierbarer Signale.

Eine Erkennung auch geringfügiger Abweichungen kann insbesondere dann erzielt werden, denn die Referenz-Daten und/oder die Ist-Daten durch kontinuierliche Erfassung der Messgröße, insbesondere des Maschinenstroms der Gleichstrommaschine, ermittelt und abgespeichert werden. Die Referenz-Daten und/oder die Ist-Daten enthalten in diesem Fall vorzugsweise einen vollständigen Verlauf zumindest einer vollen (360°) Umdrehung des Ankers, sodass unabhängig von der aktuellen Phasenlage Abweichungen bis zur Zeit- bzw. Winkelauflösung des

gespeicherten Verlaufs erkannt und korrigiert werden können.

Alternativ oder zusätzlich können zur Ermittlung der

Referenz-Daten und/oder der Ist-Daten charakteristische

Eigenschaften, vorzugsweise die Phasenlage und/oder Höhe lokaler Extremstellen oder ein gefilterter Zeitverlauf, des jeweiligen Zeitverlaufs der Messgröße ermittelt werden. Die Verarbeitung eines gefilterten Zeitverlaufs ist dabei besonders einfach und resourcenschonend, da Asymmetrien beispielsweise nur mittels eines Komparators erkannt werden können. Dementsprechend kann die Recheneinheit zur Ermittlung charakteristischer

Eigenschaften, vorzugsweise der Phasenlage und/oder Höhe lokaler Extremstellen oder eines - insbesondere mittels eines

Tiefpassfilter - gefilterten Signals, des Zeitverlaufs der Messgröße eingerichtet sein. Die lokalen Extremstellen, d.h. die Maxima und Minima des Zeitverlaufs der Messgröße, werden unter Umständen ohnedies bereits für die Positionsermittlung ausgewertet, sodass hier kaum zusätzlicher Rechenaufwand entsteht. Für die Erkennung einer etwaigen Abweichung kann günstiger Weise zusätzlich die Höhe (bzw. Tiefe) der

Extremstellen gespeichert werden und beispielsweise mit dem jeweils anderen Daten-Set (Referenz-Daten bzw. Ist-Daten) verglichen werden, wobei eine relative Abweichung zwischen den Extremstellen ungefähr gleicher Höhe ermittelt wird.

Für einen Vergleich auch kleinerer Ausschnitte des Zeitverlaufs, insbesondere zur Berechnung einer relativen Abweichung aus einem Abschnitt mit wenigen oder keinen Extremstellen, ist es vorteilhaft, wenn die Berechnung der relativen Abweichung die Auswertung einer Korrelationsfunktion unter Verwendung der Referenz-Daten und der Ist-Daten umfasst. Die Verwendung einer Korrelationsfunktion ermöglicht eine hohe Trennschärfe und kann auch für kurze Signalabschnitte signifikante Erkennungs ^¬ ergebnisse liefern. Zusätzlich liefert die Korrelationsfunktion automatisch einen hochgenauen Wert für die Phasenverschiebung zwischen Referenz-Daten und Ist-Daten. Dementsprechend ist die Recheneinheit günstiger Weise zur Auswertung einer Korrelations ^¬ funktion unter Verwendung der Referenz-Daten und der Ist-Daten eingerichtet . Beispielsweise aufgrund möglicher Abhängigkeiten des

Zeitverlaufs der Messgröße von einer absoluten Position eines mit dem Anker verbundenen Stellteils bzw. im Allgemeinen aufgrund unterschiedlicher Lastmomente und deren Auswirkung auf den Zeitbzw. Phasenwinkelverlauf der Messgröße, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Referenz-Daten für verschiedene Arbeitspunkte, welche unterschiedlichen Positionen eines mit dem Anker verbundenen Stellteils entsprechen, ermittelt, abgespeichert und verwendet werden bzw. wenn die Recheneinheit zur Ermittlung, Abspeicherung und Verwendung von Referenz-Daten für verschiedene Arbeitspunkte, welche

unterschiedlichen Positionen eines mit dem Anker verbundenen Stellteils entsprechen, eingerichtet ist. In diesem Fall kann der aktuelle Arbeitspunkt anhand der Positionsermittlung ungefähr bestimmt werden und können die diesem Arbeitspunkt

entsprechenden Referenz-Daten zum Vergleich mit den Ist-Daten bzw. zur Berechnung der relativen Abweichung der Phasenlage herangezogen werden. Alternativ oder zusätzlich können die Referenz-Daten in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Maschine - gegebenenfalls für jeden Arbeitspunkt - getrennt ermittelt und abgespeichert werden.

Um möglichst reproduzierbare Referenz-Daten zu erhalten und die entsprechende Referenz-Phasenlage auch bei der

Positionsermittlung möglichst genau berücksichtigen zu können, sodass umgekehrt eine Schätzung der aktuellen Phasenlage (die Schätzung entspricht einer angenommenen Phasenlage) möglichst genau aus der Positionsermittlung erhalten werden kann, werden die Referenz-Daten bevorzugt unter kontrollierten Bedingungen, insbesondere auf einem Prüfstand, ermittelt und abgespeichert.

Größere Abweichungen, welche über eine volle Umdrehung des Ankers hinaus gehen, können bei dem vorliegenden Verfahren nur im Zusammenspiel mit zusätzlichen Korrekturmaßnahmen und -funktionen korrigiert werden, weshalb es beispielsweise günstig ist, wenn die Ankerposition und folglich auch die angenommene Phasenlage zusätzlich mit einem Anlauf-Auslauf-Schätzer, wie oben beschrieben, ermittelt wird. Ein zusätzlicher Nutzen aus den bei dem vorliegenden Verfahren bzw. mit der vorliegenden Einrichtung ermittelten Daten kann dadurch gewonnen werden, dass die Unterschiede zwischen den Ist-Daten und den Referenz-Daten, welche über eine reine Phasenverschiebung hinaus gehen, zur Diagnose eines

Maschinenzustandes verwendet werden, insbesondere zur

Feststellung eines Bürstenverschleißes, eines Windungsschlusses oder einer Asymmetrie eines Lastmoments. Dementsprechend kann die Recheneinheit der erfindungsgemäßen Einrichtung vorteilhaft zur Diagnose eines Maschinenzustandes anhand von Unterschieden zwischen den Ist-Daten und den Referenz-Daten, welche über eine reine Phasenverschiebung hinaus gehen, einrichtet sein, insbesondere zur Feststellung eines Abhebens der Bürsten vom Kommutator und des damit einher gehenden Bürstenverschleißes, eines Windungsschlusses oder einer Asymmetrie eines Lastmoments . Die Diagnose-Ergebnisse können anschließend, z.B. in Form eines Fehlercodes, ausgegeben und/oder abgespeichert werden, um den Benutzer oder eine Servicestelle entsprechend zu informieren.

Wenn der Zeitverlauf der Messgröße, insbesondere der

Stromwelligkeit , trotz mehrerer Ankerspulen im Wesentlichen gleichförmig ist und keine Erkennung bestimmter Ripple zulässt, kann es vorteilhaft sein, wenn der Anker asymmetrisch ausgeführte Ankerwicklungen aufweist. Durch die unterschiedlichen

Ankerwicklungen wird eine scheinbar kleinere Periodizität (d.h. mit höherer Frequenz) des Zeitverlaufs durchbrochen und nur die tatsächliche, einer vollen Ankerumdrehung entsprechende

Periodizität bei den Rippeln erhalten.

Alternativ oder zusätzlich kann mit einem grundsätzlich ähnlichen Effekt an einer mit dem Anker verbundenen

Maschinenwelle ein Exzenter angeordnet sein. Der Exzenter sorgt für ein winkelabhängiges Lastmoment und für die gewünschte Asymmetrie des Zeitverlaufs. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigen dabei im Einzelnen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der

erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Gleichstrommaschine und einer Positionsermittlungseinheit ;

Fig. 2 schematisch einen Zeitverlauf einer Stromwelligkeit einer Gleichstrommaschine mit acht Kommutatorsegmenten;

Fig. 3 schematisch einen mit Fig . 2 abschnittsweise parallelen

Zeitverlauf der Phasenlage des Ankers der Gleichstrommaschine;

Fig. 4 schematisch einen Vergleich eines Zeitverlaufs gemäß Fig. 2 mit einem gefilterten Zeitverlauf;

Fig. 5 ein Beispiel für einen gemessenen Zeitverlauf einer Stromwelligkeit einer Gleichstrommaschine mit zehn

KommutatorSegmenten;

Fig. 6 einen anderen gemessenen Zeitverlauf einer

Stromwelligkeit einer Gleichstrommaschine, nämlich mit sechs KommutatorSegmenten;

Fig. 7 schematisch einen Zeitverlauf einer Stromwelligkeit, wobei einem Kommutierungsstromrippel ein Anteil aufgrund eines Lastmomentrippels überlagert ist; und

Fig. 8a-8c schematisch einen Zeitverlauf zweier

Kommutierungsstromrippel unterschiedlicher Frequenzen, einmal überlagert (Fig. 8a) und j eweils separat (Fig. 8b bzw. Fig. 8c).

Fig. 1 zeigt einen Gleichstrommotor 1 mit einem mechanischen Kommutator 2 und insgesamt sechs Kommutatorsegmenten 3. Der Gleichstrommotor 1 ist mit einer Spannungsquelle 4 verbunden, welche Spannungsquelle 4 von einer Ansteuerung 5 gesteuert ist. Der Motorstrom I wird kontinuierlich von einer Messeinheit 6 gemessen und nach Aufbereitung (Verstärkung, Digitalisierung, etc.) an eine Recheneinheit 7, welche mit der Messeinheit 6 zu diesem Zweck verbunden ist, weitergegeben. Die Recheneinheit 7 erfasst den zeitlichen Verlauf des Motorstroms I, indem sie in regelmäßigen Abständen den aktuellen Motorstrom I in einem

Speicher 8 abspeichert. Die Recheneinheit 7 ist außerdem mit einem Positionszähler 10 verbunden. Wenn die Recheneinheit 7 ein Ripple, z.B. in Form eines lokalen Maximums, des Motorstroms I detektiert, sendet sie ein Signal an den Positionszähler 10, der daraufhin einen internen Zählerwert entsprechend ändert. Der Positionszähler 10 ist typischer Weise eingerichtet, die Position eines mit dem Gleichstrommotor 1 verbundenen, nur schematisch dargestellten Stellteils 11 zu verfolgen und die aus dem Zählerwert abgeleitete Position über eine Schnittstelle 12 beispielsweise an eine Sicherheitsschaltung (nicht gezeigt) zu übermitteln. Außerdem kann die Ansteuerung 5 zur Übertragung der vom Positionszähler 10 ermittelten Position mit dem

Positionszähler 10 verbunden sein.

Die Recheneinheit 7 ist eingerichtet, insbesondere programmiert, den aufgezeichneten zeitlichen Verlauf bzw. Zeitverlauf I (t) des Motorstroms I auszuwerten und in Hinblick auf charakteristische Merkmale zu analysieren. Außerdem kann die Recheneinheit 7 angewiesen werden, einen bestimmten Zeitverlauf I (t) (die

Notation als Funktion der Zeit soll ausdrücken, dass hier eine Liste von mehreren, jeweils einem Zeitpunkt t zugeordneten Werten des Motorstroms I bezeichnet ist) bzw. einen ab einem

festgelegten Zeitpunkt to (s. Fig. 2), vorzugsweise zumindest für eine Periode eines Stromrippeis, aufgezeichneten Zeitverlauf iRef(t) als Referenz-Daten abzuspeichern, wobei der Zeitverlauf iRef(t) selbst und/oder ein Analyse-Ergebnis, welches den Zeitverlauf iRef (t) charakterisiert und z . B . die Position und Höhe etwaiger Extremstellen umfasst, im Speicher 8 oder alternativ in einem getrennten Referenz-Speicher 9 abgelegt wird. Weiters ist die Recheneinheit 7 programmiert, die abgespeicherten

Referenz-Daten mit zu einem späteren Zeitpunkt aufgezeichneten Ist-Daten, welche im Allgemeinen einen anderen Zeitverlauf I i _st (t), nämlich den zum späteren Zeitpunkt ti aufgezeichneten Zeitverlauf des Motorstroms I, charakterisieren, zu vergleichen und eine relative Abweichung Δφ einer Phasenlage cp(ti) eines Ankers 13 des Gleichstrommotors 1 zum Zeitpunkt ti von der Referenz-Phasenlage cp(to) zum Zeitpunkt to zu berechnen. Die Berechnung basiert im Wesentlichen auf der Ermittlung einer relativen Verschiebung der Zeitverläufe I _Re f(t), I i _st (t) bzw. der gespeicherten Merkmale der Zeitverläufe I _Re f(t), I i _st (t) entlang der Zeitachse. Da die Zeitachse über die Periodendauer T einer vollen Ankerumdrehung von 360° eine Umrechnung auf die Ankerposition, d.h. genau genommen auf den Phasenwinkel der Ankerposition bzw. die Phasenlage φ des Ankers 13, zu jedem beliebigen Zeitpunkt t innerhalb des aufgezeichneten

Zeitverlaufs I (t) zulässt, kann aus der ermittelten relativen Verschiebung die aktuelle Phasenlage φ entsprechend der tatsächlichen Ankerposition errechnet werden. Ebenso kann der vom Positionszähler 10 ermittelten Position des Stellteils 11 eine bestimmte Ankerposition zugeordnet werden, welche einer angenommenen Phasenlage φ _Ε entspricht. Diese Zuordnung ist dann am einfachsten, wenn der interne Zähler zum Zeitpunkt to mit Null initialisiert wird. In diesem Fall ergibt sich die angenommene Phasenlage φ _Ε aus dem aktuellen Zählerwert und der Anzahl der Zählerschritte bei einer vollen Ankerumdrehung, welche meist der Anzahl der Kommutatorsegmente entspricht. Die Recheneinheit 7 ist eingerichtet, auf diese Weise die aktuelle Phasenlage φ und die angenommene Phasenlage φ _Ε des Ankers 13 zu ermitteln und zu vergleichen. Falls eine Abweichung Δφ der angenommenen

Phasenlage φ _Ε von der aktuellen Phasenlage φ festgestellt wird, kann die Recheneinheit 7 den Positionszähler 10 anweisen, den internen Zählerwert so zu korrigieren, dass die dem Zählerwert entsprechende Phasenlage mit der aktuellen Phasenlage φ übereinstimmt .

In Fig. 2 ist im einzelnen der Zeitverlauf I (t) eines

theoretischen Maschinenstroms I in einem Strom-Zeit-Diagramm dargestellt, d.h. der Strom I ist an der vertikalen

Ordinatenachse als Funktion der Zeit t an der horizontalen Abszissenachse aufgetragen. Der Zeitverlauf I (t) entspricht der Stromwelligkeit einer mechanisch kommutierten Gleichstrommaschine mit in diesem Beispiel acht Kommutatorsegmenten, wobei die Kommutatorsegmente in diesem Beispiel abgesehen von zwei gegenüber liegenden Segmenten identisch sind. Die den Kommutatorsegmenten entsprechenden acht lokalen Maxima n, n+2, n+4, n+6, n+8, n+10, n+12, n+14 einer vollen Periode T mit n=0, 16, ... sind somit, abgesehen von dem ersten Maximum n und dem fünften Maximum n+8, gleich hoch. Die höheren Maxima n, n+8 sind jeweils wieder gleich hoch, so dass sich der gezeigte Verlauf bereits nach einer halben Periode T/2, entsprechend einem Phasenwinkel des Ankers von 180°, d.h. nach einer halben Umdrehung des Ankers, wiederholt. Die dadurch definierte Periodizität der Stromwelligkeit von T/2 begrenzt die bei dem vorliegenden Verfahren maximal mögliche Korrektur der

Ankerposition. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Verlauf kann demgemäß höchstens eine relative Abweichung der Ankerposition von weniger als 180° korrigiert werden, falls das Vorzeichen der Abweichung bekannt ist; andernfalls kann höchstens eine

Abweichung von weniger als 90° in beide Richtungen korrigiert werden. Als Referenz-Phasenlage cp(to) kann beispielsweise der Phasenwinkel φ _η des Maximums n festgelegt werden.

Das folgende Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand der in Fig. 2 dargestellten Stromwelligkeit sowie dem in Fig. 3 dargestellten zeitlichen Verlaufs der Phasenlage φ des Ankers in Abhängigkeit von der Zeit t demonstrieren: Angenommen, die Referenz-Daten enthalten die Position und Höhe der Maxima ausgehend vom Zeitpunkt to und der Gleichstrommotor 1 wurde zuletzt bis zu einer Ankerposition entsprechend dem Phasenwinkel beim Maximum n+8 bewegt, d.h. die aus der

Positionsermittlung geschätzte, angenommene bzw. erwartete Phasenlage φ _Ε des Ankers zum Zeitpunkt ti ist

Tatsächlich wurde jedoch der Anker im Motorstillstand z.B. aufgrund einer mechanischen Vorspannung um 45° zurück gedreht, was hier genau einem Stromrippel-Abstand entspricht. D.h. die tatsächliche aktuelle Phasenlage φ zum Zeitpunkt ti ist Die von dieser Phasenlage φ (ti) ausgehend ermittelten Ist-Daten gleichen somit dem beim Zeitpunkt ti beginnenden Zeitverlauf Ii _st (ti).

Nach einem Motoranlauf wartet das System z.B. auf ein Maximum, welches höher als das vorangehende Maximum ist. Dieser Fall tritt jedoch nicht - wie erwartet - zum Zeitpunkt t ₂ nach einer Drehung um 180° ein, nach der gemäß der angenommenen Phasenlage φ _Ε wieder die Referenz-Phasenlage cp(to)=0° mit einem Maximum n+16 erreicht sein müsste, weil die tatsächliche aktuelle Phasenlage zu diesem Zeitpunkt t ₂ noch cp(t ₂ )=315° ist. Stattdessen wird das Maximum erst zum Zeitpunkt t3 nach einer Drehung um 225° erkannt. Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird aus dem Vergleich der Ist-Daten („Maximum wird nach 225° erreicht") und der Referenz-Daten („bei der angenommenen Phasenlage wird das Maximum nach 180° erreicht") die relative Abweichung Δφ von -45° berechnet. Der Zählerstand des Positionszählers, welcher nach der Drehung um 225° ausgehend von der zuletzt bekannten Ankerposition einer Phasenlage von 45° entsprechen müsste, kann somit zum Zeitpunkt t3 anhand der relativen Abweichung Δφ auf die tatsächliche Phasenlage beim Maximum n+16 von 0° korrigiert werden.

Die Erkennung des Maximums kann durch die Verwendung eines Tiefpassfilters stark vereinfacht werden, wie anhand des in

Fig. 4 dargestellten Vergleichs des ungefilterten Signals I (t) und des gefilterten Signals I' (t) gezeigt ist. Das gefilterte Signal I' (t) blendet die Oberschwingungen oberhalb der

Periodizität des Signals (d.h. jene Schwingungen, die eine höhere Frequenz als die Asymmetrie des Zeitverlaufs aufweisen) aus, so dass die Auswertung des gefilterten Signals einfacher zu verarbeiten ist und somit Prozessorressourcen spart.

Beispielsweise können die ausschlaggebenden Maxima bzw.

unsymmetrische Stromrippel hier einfach mittels eines

Komparators detektiert werden.

In Fig. 5 ist ein mit einem Oszilloskop gemessener Verlauf der Stromwelligkeit einer realen Gleichstrommaschine mit zehn Kommutatorsegmenten gezeigt. Die durchgehenden, vertikalen Linien markieren jeweils die Referenz-Phasenlage, welche naturgemäß nach jeder vollen Umdrehung, d.h. nach jeder vollen Periode T, vom Anker eingenommen wird. Wie aus der dargestellten Stromwelligkeit ersichtlich, liegt hier keine niedrigere Periodizität vor, so dass die mit dem vorliegenden Verfahren maximal korrigierbare Abweichung eine Phasendifferenz von knapp unter 360° ist (sofern das Vorzeichen der Abweichung bekannt ist; andernfalls knapp unter 180°) . Aufgrund der teilweise gleich hohen Maxima ist in diesem Fall eine Berücksichtigung weiterer Charakteristika des Zeitverlaufs, z.B. des jedem Maximum vorangehenden Minimums, oder die Verwendung einer

Korrelationsfunktion, welche den Verlauf an sich berücksichtigt , vorteilhaft . Ein weiterer gemessener Zeitverlauf I (t) der Stromwelligkeit einer Gleichstrommaschine ist in Fig. 6 dargestellt, wobei die hier vermessene Maschine sechs Kommutatorsegmente aufweist. Trotzdem wiederholt sich das Muster der Stromwelligkeit bereits nach drei Stromrippeln (welche wie gesagt jeweils einem

Kommutatorsegment entsprechen) , so dass die Periodizität der Stromwelligkeit nur 180° beträgt, was in der Zeitdarstellung mit T/2 angegeben ist. Dementsprechend sind mit dem vorliegenden Korrekturverfahren bzw. der vorliegenden Einrichtung in

Verbindung mit der hier vermessenen Maschine nur Korrekturen der Phasenlage des Ankers bis knapp unter 180° bzw. knapp unter 90° möglich, je nachdem ob das Vorzeichen der Abweichung als bekannt angenommen werden kann oder nicht. Darüber hinaus gehende Korrekturen jenseits der 180° bzw. 90° müssten mit einem zusätzlichen Korrekturverfahren ermittelt werden.

Das vorliegende Verfahren bzw. die vorliegende Einrichtung kann, wie durch die obigen Beispiele gezeigt wurde, eine praktisch immer vorhandene Asymmetrie der Stromwelligkeit des

Maschinenstroms innerhalb einer vollen Ankerumdrehung

ausnutzen, um nach einem Motoranlauf sowie auch kontinuierlich während des Motorlaufs einen möglichen Fehler der Positions ^¬ ermittlung, z.B. einen möglicherweise fehlerhaften Zählerwert eines Positionszählers zu erkennen und zu korrigieren. In der jeweiligen Maschine selbst kann bzw. können eine asymmetrische Lage der Ankerwicklungsdrähte (d.h. Wicklungen liegen in den Nuten bzw. Wicklungsköpfen weiter unten oder weiter oben), asymmetrische Lage-, Maß- und Magnetisierungstoleranzen der Statormagnete oder absichtlich asymmetrisch ausgeführte

Ankerwicklungen, wie z.B. in der EP 2 409 397 A2 beschrieben, eine solche Asymmetrie verursachen. Darüber hinaus kann die Asymmetrie auch durch die mit der Ankerwelle verbundene Last verursacht werden, etwa aufgrund eines über eine Ankerumdrehung nicht konstanten, aber periodischen Lastmoments , wenn z.B. ander Motorwelle 14 ein Exzenter 15 angeflanscht ist, wie das bei elektrischen ABS-Aktuatoren der Fall ist.

Demzufolge hat die Asymmetrie der Stromwelligkeit typisch eine Periode von entweder 180° oder 360°, wie auch in den vorangehend beschriebenen Beispielen gemäß Fig. 2, 5 und 6 gezeigt ist. Die Periode der Asymmetrie ist in vielen Fällen ein wesentlicher Bestandteil der Referenz-Daten, zumindest wenn nicht ohnehin ein vollständiger Zeitverlauf abgespeichert wird. Vorzugsweise wird die Asymmetrie der Stromwelligkeit bzw. der Stromrippel für jede Maschine individuell z.B. nach dem ersten Hochlauf am Prüfstand oder im Feld durch Aufzeichnung

individueller Referenz-Daten „angelernt" und in einem

nichtflüchtigen oder transienten Speicher abgelegt. Die abgespeicherte individuelle Charakteristik der Stromwelligkeit ermöglicht eine vereinfachte oder zuverlässigere Erkennung der Ankerposition. Das Verfahren eignet sich dabei auch gut für Maschinen, deren Stromwelligkeitsform sich mit der Drehrichtung, Drehzahl oder Last stärker verändert. Es wird dann einfach die individuelle Charakteristik der Stromwelligkeit für

verschiedene Arbeitspunkte abgespeichert.

Die Erfindung, welche in den gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispielen hinsichtlich der Verwendung der Stromwelligkeit im Detail beschrieben wurde ist für den Fachmann selbstverständlich analog auf jede andere, mit der Drehung des Ankers korrelierte Messgröße, insbesondere auf eine Messung der Motordreh ^¬ geschwindigkeit oder auf ein Kodierer-Signal, im Rahmen der Erfindung mit vergleichbaren Vorteilen und somit äquivalent anwendbar . In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 7 schematisch den Zeitverlauf I (t) des Motorstroms, wobei dem (vergleichsweise

höherfrequenten) Kommutierungsstromrippel ein Stromanteil I _L aufgrund eines Lastmomentrippels überlagert ist. Zum besseren Verständnis ist der Zeitverlauf l _L (t) des dem Lastmomentrippel entsprechenden Stromanteils I _L als gestrichelte Linie in Fig. 7 eingezeichnet. Der Lastmomentrippel kann durch eine exzentrische Motorwelle (z.B. bei einer Radialkolbenpumpe) oder auch im Getriebe eines Antriebs entstehen und weist daher konstruktions ^¬ bedingt eine harmonische oder sub-harmonische Frequenz der Drehfrequenz des Motors auf. Zur Illustration der Drehzahl bzw. Drehfrequenz ist im selben Diagramm der Zeitverlauf cp(t) der Rotorposition φ eingezeichnet. Durch ein von der Motordrehzahl abhängiges Bandpassfilter lassen sich die beiden Signale (d.h. der dem Kommutierungsstromrippel entsprechende Anteil und der dem Lastmomentrippel entsprechende Anteil) aus dem gemessenen Stromsignal, welches dem Motorstrom I entspricht, extrahieren. Bei einem System, welches den Kommutierungsstromrippel zur Positionserfassung nutzt, erhält man somit eine weitere parallel auswertbare Frequenz, welche analog zum Rippel des

Kommutierungsstroms ausgewertet werden kann. Wie aus dem Vergleich mit dem Zeitverlauf cp(t) der Rotorposition φ ersichtlich ist, entspricht in Fig. 7 die Frequenz des

Lastmomentrippels dem 5-fachen der Drehfrequenz und die Frequenz des Kommutierungsstromrippels dem 10-fachen der Drehfrequenz. Bei einem Zählsystem (Ripple Counting System) findet häuft eine lokale Maximum/Minimum-Erkennung statt, um die Rotorposition aus dem gefilterten Rippelsignal abzuleiten . In Fig. 7 sind daher die lokalen Maxima N1-N10 des Motorstroms I angegeben. Durch die zusätzliche Auswertung des Lastmomentrippelsignals mit den lokalen Maxima XI, X2 ist es möglich, Fehler bei der Auswertung des Kommutierungsstromrippels zu erkennen. Beispielsweise würden hier (Fig. 7) zwischen zwei Maxima XI, X2 des

Lastmomentrippels (d.h. während einer Periode des

Lastmomentrippels) fünf Maxima N2-N6 des Kommutierungs ^¬ stromrippels erwartet werden. Korrelieren diese beiden

Positionsinformationen nicht wie erwartet miteinander, ist von einem Fehler in einem der beiden Positionssignale auszugehen. Der erkannte Fehler kann in der Folge korrigiert werden, weil die korrekte Korrelation, d.h. die Anzahl an erwarteten

Kommutierungsstromrippeln pro Periode, bekannt ist; aber bereits die Fehlererkennung an sich ist eine nützliche Information, welche zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Systems beiträgt. Da die beiden Signale konstruktionsbedingt entstehen, ist ein Anlernen eines Referenz-Signals, d.h. ein Aufzeichnen eines entsprechenden Zeitverlaufs zur Referenz, bei diesem Beispiel nicht notwendig. Die Referenz-Daten umfassen lediglich das erwartete Verhältnis der Frequenzen.

Alternativ zur Auswertung anhand des gemessenen Motorstroms I ist es auch möglich, den Lastmomentrippel über die Motordrehzahl auszuwerten, allerdings wird das Signal hierbei mit der

Systemzeitkonstante gedämpft, was die Auswertung um so mehr erschwert, je höherfrequent das Signal gegenüber der

Systemzeitkonstante ist. Eine weitere Möglichkeit wäre die Auswertung der Motor-Back-EMF Spannung, welche direkt

proportional der Motordrehzahl ist; hierfür muss der Antrieb allerdings im Generatorbetrieb betrieben werden.

Auch bei der Kommutierung des Motors können konstruktionsbedingt mehrere harmonische Frequenzen der Drehfrequenz auftreten, welche sich aus dem Motorstrom I extrahieren lassen und analog wie oben beschrieben ausgewertet bzw. korreliert werden können. Fig. 8a zeigt schematisch den Zeitverlauf I (t) eines Motorstroms I eines Motors, welcher einen Kommutierungsstromrippel bei der 14-fachen bzw. bei der 28-fachen Drehfrequenz aufweist. Durch entsprechende drehzahlabhängige Bandpassfilter können die beiden Rippelanteile Ii und I ₂ separiert werden. In Fig. 8b bzw. 8c sind die Zeitverläufe Ii (t) , I ₂ (t) der beiden Rippelanteile Ii, I ₂ separat dargestellt. Aus jedem Anteil Ii bzw. I ₂ kann unabhängig auf eine Rotorposition cpi bzw. φ ₂ geschlossen werden, wobei abhängig von dem Grad der Harmonischen, d.h. dem Vielfachen der Drehfrequenz, die Perioden auf einen entsprechend kleinerer Winkelbereich abgebildet werden. Dieser Zusammenhang ist aus den in Fig. 8b und 8c jeweils eingezeichneten Zeitverläufen cpi (t) , cp ₂ (t) der Rotorposition φ ersichtlich.