Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestim mung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem Stator.

Rotor und Stator sind insbesondere Teile von rotierenden elektrischen Maschinen, wobei hier besonders die Synchron- und die Asynchronmaschine eine übergeordnete Rolle spielen.

Die moderne Antriebstechnik, beispielsweise der Traktionsantrieb in Elektrofahrzeu gen verwendet heutzutage häufig permanent erregte Synchronmaschinen.

Diese bestehen beispielsweise aus einem drehbar gelagerten Permanentmagneten, der innerhalb einem Statorspulensystem positioniert wird. Mit diesem wird ein Dreh feld erzeugt, welches den Rotor in Bewegung setzt. Prinzip-bedingt ist die Drehzahl des Stators und des Rotors identisch.

Um ein gewünschtes Drehmoment bereitzustellen, wird jedoch gezielt ein Phasenver satz eingestellt, so dass das Statorfeld dem Rotor um einen gewissen Winkelversatz vorauseilt. Hieraus ergibt sich die Forderung den Rotorlagewinkel zu ermitteln.

Aus dem Stand der Technik sind Rotorlagegeber in unterschiedlicher Weise bekannt. So werden elektromagnetische Messumformer, sogenannte Resolver, zur Wandlung der Winkellage des Rotors in eine elektrische Größe genutzt. Hierbei handelt es sich um Spulenpakete, die um Spulenträger, als Statorwicklungen, gewickelt werden.

Im Inneren befindet sich drehbar gelagert ein Rotor, der die Kopplung dieser Spulen durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung drehwinkelabhängig beein flusst. Alternative Sensorkonzepte basieren beispielsweise auf induktiven oder magneti schen Prinzipien. Hier sind beispielsweise Potentiometergeber, Inkrementalgeber oder Absolutwertgeber bekannt.

Bei resolverbasierten oder induktiven Sensortypen wird oft mit zwei-phasigen Syste men gearbeitet, bei denen zwei Statorwicklungen versetzt zueinander angeordnet sind. Wird die Rotorwicklung mit einer sinusförmigen Wechselspannung erregt, kön nen die Statorwicklungen so angeordnet sein, dass die Amplituden der in den Stator wicklungen induzierten Spannungen dem Sinus und dem Kosinus der Winkellage des Rotors der zu untersuchenden elektrischen Maschine entsprechen.

Die Winkellage F errechnet sich dann aus den Amplituden cn und 02.

Durch Division und anschließende Arcustangensberechnung kann auf den Winkel mit der Formel F = arctan— rückgerechnet werden.

Nachteilig an diesem Signalverarbeitungskonzept ist eine relativ lange Berechnungs dauer, da speziell die Division und die Arcustangensberechnung sehr zeitintensiv sind. Darüber hinaus müssen das sinusförmige und das kosinusförmige Signal vor der Berechnung korrigiert werden. Hier werden mindestens die Signaloffsets kompensiert und die Amplituden angeglichen. Vor allem bei magnetischen Sensoren kann, je nach physikalischem Messprinzip, auch eine Phasenkorrektur notwendig werden. All diese Schritte wirken sich negativ auf die Signallaufzeit aus.

Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist, dass die nach diesem Prinzip ermit telten Winkel nach unterschiedlich langen Laufzeiten zur Verfügung stehen. So arbei tet dann beispielsweise das Steuergerät mit Daten, die eine unterschiedlich lange Ver arbeitungszeit durchlaufen haben. Diese Variation in den Daten wirkt sich negativ auf die Genauigkeit der angestrebten Motorsteuerung aus. Je größer die Verarbeitungs zeit ausfällt, desto älter kann zu einem gewissen Zeitpunkt der Messwert des Winkels sein. Benötigt beispielsweise das Steuergerät zyklisch eine Winkelinformation und die Berechnungszeit beträgt 50 ps, dann schwankt das Signalalter zwischen 0 zwischen 50 ps.

An diesem Punkt setzt die vorliegende Erfindung an.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem Stator darzulegen, eine Anordnung für ein solches Berechnungsmittel vorzuschlagen und ein Verfahren zum Betreiben einer sol chen Vorrichtung vorzustellen, die es ermöglicht eine äußerst schnelle Winkelbestim mung durchzuführen, die in ihrer Berechnungsdauer nahezu frei von Variationen (Jit ter) ist.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 , eine Anordnung nach An spruch 8 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines ersten Winkels, zwischen einem Rotor und einem Stator, weist Eingänge zum Einlesen von einen ersten Winkel repräsentierenden Amplituden von über ein Sensorsystem erfassten elektrischen Sig nalen auf, wobei die Vorrichtung einen Winkelschätzer zum Schätzen eines zweiten Winkels aufweist, die Vorrichtung Mittel zur Ermittlung von den zweiten, geschätzten Winkel repräsentierenden Amplituden aufweist, die Vorrichtung mindestens eine Re gelung aufweist, mit der mindestens eine Differenz zwischen den ersten Winkel reprä sentierenden Amplituden und den zweiten, geschätzten Winkel repräsentierenden Amplituden minimierbar ist und über einen Ausgang der zweite, geschätzte Winkel be reitstellbar ist.

Vorteilhafterweise kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Mittel zur Berech nung der mindestens einen Differenz aufweist. Auf diese Weise werden die den ersten Winkel repräsentierenden Amplituden und die den zweiten, geschätzten Winkel reprä sentierenden Amplituden verglichen und das Ergebnis dem Winkelschätzer erneut zu geführt. Es besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung die den zweiten, geschätzten Winkel repräsentierenden Amplituden über mindestens zwei Kanäle ermittelt.

Der zweite, geschätzte Winkel wird durch zwei Amplituden eindeutig repräsentiert, die über zwei unterschiedliche Kanäle berechnet und mit den zugehörigen Amplituden des ersten Winkels verglichen werden.

Daher ist es möglich, dass die Regelung den Winkelschätzer als Regler aufweist und mittels des Winkelschätzers der zweite, geschätzte Winkel variierbar ist, bis der Be trag der Differenzen der den ersten Winkel repräsentierenden Amplituden und der den zweiten Winkel repräsentierenden Amplituden kleiner einem vorgegebenen Wert ist.

Um eine schnelle Signallaufzeit zu ermöglichen, werden die Mittel zur Fehlerkorrektur des Sensorsystems an Punkten der Vorrichtung durchgeführt, die die Signallaufzeit möglichst wenig negativ beeinflussen.

Es ist daher vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Vorrichtung Mittel zur Fehlerkor rektur des Sensorsystems aufweist, wobei die Fehlerkorrektur durch eine Änderung der Amplituden, Phasen und/oder Offsets der eingelesenen, den ersten Winkel reprä sentierenden Amplituden durchführbar ist.

In diesem Fall wird die Fehlerkorrektur der eingelesenen Amplituden durchgeführt, be vor die eingelesenen Amplituden mit den ermittelten Amplituden verglichen werden.

Darüber hinaus oder an deren Stelle kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Mittel zur Fehlerkorrektur des Sensorsystems aufweist, wobei die Fehlerkorrektur durch eine Änderung der Amplituden, Phasen und/oder Offsets der ermittelten, den zweiten, geschätzten Winkel repräsentierenden Amplituden durchführbar ist.

In diesem Fall wird die Fehlerkorrektur der ermittelten Amplituden durchgeführt, bevor die ermittelten Amplituden mit den eingelesenen Amplituden verglichen werden. Darüber hinaus oder an deren Stelle kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Mittel zur Fehlerkorrektur des Sensorsystems aufweist, wobei die Fehlerkorrektur durch eine Änderung des geschätzten Winkels durchführbar ist.

In diesem Fall wird die Fehlerkorrektur am Ende der Regelung durchgeführt und der zweite, geschätzte Winkel korrigiert.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Bestimmung eines ersten Win kels, zwischen einem Rotor und einem Stator. Die erfindungsgemäße Anordnung weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, ein Sensorsystem zum Erfassen von elektrischen Signalen und Mittel zur Ermittlung der den ersten Winkel repräsentieren den Amplituden von über das Sensorsystem erfassten elektrischen Signalen.

Zur Erfassung der elektrischen Signale kann es vorgesehen sein, dass das Sensor system mehrere Kanäle aufweist.

Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass das Sensorsystem induktiv, kapazitiv, magnetisch oder nach einem anderen Messprinzip arbeitet.

Es ist möglich, dass die Fehlerkorrektur des Sensorsystems bereits erfolgt, bevor die den ersten Winkel repräsentierenden Amplituden von der Vorrichtung eingelesen wer den. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass die Anordnung Mittel zur Fehler korrektur des Sensorsystems aufweist, wobei die Fehlerkorrektur durch eine Ände rung der Amplituden, Phasen und/oder Offsets der erfassten elektrischen Signale durchführbar ist.

Das Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist wenigstens die nachfolgenden Schritte auf:

- die den ersten Winkel repräsentierenden Amplituden von über ein Sensorsys tem erfassten elektrischen Signalen werden von der Vorrichtung eingelesen,

- der Winkelschätzer schätzt den zweiten Winkel (<t>_est),

- die den zweiten Winkel repräsentierenden Amplituden werden ermittelt, - die mindestens eine Differenz zwischen den ersten Winkel repräsentierenden Amplituden und den zweiten, geschätzten Winkel repräsentierenden Amplitu den wird gebildet,

- die mindestens eine Differenz wird dem Winkelschätzer zugeführt,

- der Winkelschätzer schätzt unter Berücksichtigung der mindestens einen Diffe renz einen neuen zweiten Winkel (<t>_est),

- das Verfahren wird fortgeführt, bis der Betrag der Differenz kleiner einem fest gelegten Wert ist,

- der Winkelschätzer stellt den zweiten, geschätzten Winkel über den Ausgang bereit.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch die Erfindung keine auf wändige Division und Arcustangensberechnung mehr benötigt wird, da eine Regelung zur Winkelbestimmung verwendet wird. Der Winkelschätzer variiert den zweiten, ge schätzten Winkel so lange bis die ermittelten Amplituden nahezu identisch zu den ein gelesenen Amplituden ist.

Dies ermöglicht extrem geringe Signallaufzeiten, die mindestens zehn Mal schneller sein sollten als die Dynamik der Eingangssignale.

Ein weiterer Vorteil dieser Winkelbestimmung ist eine konstante Signallaufzeit, so dass die Variation minimiert wird.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestim mung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem Stator

Fig. 2 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung mit ersten Mitteln zur

Fehlerkorrektur der den ersten Winkel repräsentierenden, über ein Sensor system erfassten, elektrischen Signalen oder Amplituden (Darstellung nur eines Kanals ohne Beschränkung der Allgemeinheit) Fig. 3 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zweiten Mitteln zur Fehlerkorrektur der den zweiten, geschätzten Winkel repräsentierenden Amplituden (Darstellung nur eines Kanals ohne Beschränkung der Allge meinheit)

Fig. 4 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung mit dritten Mitteln zur

Fehlerkorrektur durch eine Änderung des zweiten, geschätzten Winkels (Darstellung nur eines Kanals ohne Beschränkung der Allgemeinheit)

In den Figuren werden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 wird ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Anordnung 2 zur Bestimmung eines Winkels <t>_est zwischen Rotor und Stator gezeigt.

Das Blockschaltbild zeigt eine Anordnung 2 mit zwei Kanälen, die allerdings ohne Ein schränkung auf Anordnungen einer anderen Anzahl von Kanälen übertragbar ist.

Die von einem Sensorsystem erfassten elektrischen Signale 15, 16 werden der Anord nung 2 übergeben. Das Sensorsystem ist in dem vorliegenden Blockschaltbild nicht näher dargestellt, da es im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Die dargestellte Ausführungsform basiert auf einem zweikanaligen induktiven Sensor. Es sind hierbei durchaus Sensorsysteme mit mehr oder weniger Kanälen und mit anderen Messprin zipien, wie beispielsweise magnetische und/oder kapazitive Messprinzipien vorstell bar.

Prinzipiell besteht das Sensorsystem im dargestellten Fall aus einer Erregerspule, die mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird, die eine Frequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz, vorzugsweise 3,5 MHz sowie Amplituden im Bereich weniger Volt auf weist.

Die Erregerspule wird vorzugsweise als frequenzbestimmendes Element in einem LC Schwingkreis verschaltet und bevorzugt im Wesentlichen spiralförmig auf einer Leiter- platte ausgeführt. Innerhalb oder außerhalb der Erregerspule befinden sich zwei Emp fangsspulen, die eine im Wesentlichen identische Geometrie aufweisen, allerdings um einen Winkel t zueinander verdreht sind.

Hierbei gilt für zweiphasige Systeme der Zusammenhang

wobei ⁽ t>_meas den Messbereich (Eineindeutigkeitsbereich) des Sensors darstellt, der bevorzugt ein ganzzahliger Teiler von 360° ist. Durch ein drehbar gelagertes, elektrisch leitfähiges Element, welches beabstandet zu den Spulen platziert wird, wer den die in den Empfangsspulen induzierten elektrischen Signale (Spannungen) in Folge des elektromagnetischen Wechselfeldes der Erregerspule, drehwinkelabhängig beeinflusst.

Da lediglich die Amplituden 3, 4 der elektrischen Signale 15, 16 die erforderliche Win kelinformation tragen, umfasst die Anordnung 2 Mittel zur Ermittlung der Amplituden werte 1 1 , 12, 13, 14 von über ein Sensorsystem erfassten elektrischen Signalen 15, 1 6.

In Fig. 1 werden die Amplituden durch Synchrondemodulation mit dem Träger 17 (Er regersignal) ermittelt. Die geschieht durch Multiplikation mittels Multiplizierern 13, 14 mit der Erregerspannung. Anschließend erfolgt eine Tiefpassfilterung 1 1 , 12. Diese Filter weisen bevorzugt Grenzfrequenzen im Bereich weniger zehn bis weniger hun dert kHz auf.

Selbstverständlich sind auch andere Verfahren zur Ermittlung der Amplituden 3, 4 möglich wie beispielsweise Digitalisierung der ermittelten elektrischen Signale und An wendung eines Algorithmus zur Bestimmung der Maxima.

Aus den Amplituden 3, 4 kann nach bekannten Verfahren der erste Winkel F ermittelt werden. Die Amplituden 3, 4 sind daher repräsentativ für den ersten Winkel F. An den Eingängen werden die ermittelten Amplituden 3, 4 an die Vorrichtung überge ben.

Anstatt aus den Amplituden 3, 4 einen Winkel F zu berechnen, wird in der vorliegen den Ausführungsform ein Winkelschätzer 6 eingesetzt, der einen zweiten Winkel <t>_est schätzt.

Für die Schätzung des zweiten Winkels <t>_est gibt es mehrere Ansätze. Es ist denk bar, dass zunächst der letzte Winkel genutzt wird, bei dem die elektrische Maschine ausgeschaltet wurde. Dies würde allerdings die Verwendung eines Speichers bedeu ten. Ebenso kann der zweite Winkel <t>_est zunächst geraten werden. Hierzu kann bei spielsweise ein Random Number Generator genutzt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit als Startwert für die Winkelschätzung jeweils den Wert 0 anzunehmen. Si cherlich können auch andere Methoden zur Schätzung des zweiten, geschätzten Win kels <t>_est in Betracht kommen.

Zu diesem zweiten, geschätzten Winkel <t>_est werden die repräsentierenden Amplitu den 7, 8 ermittelt.

Die Ermittlung der repräsentierenden Amplituden 7, 8 kann beispielsweise über eine Look-Up-Table erfolgen, in der die Amplituden zu den Winkeln gespeichert sind. Auch hier sind andere Ansätze denkbar, wie möglicherweise die Berechnung der Amplitu den.

Die übergebenen Amplituden 3, 4 sowie die ermittelten Amplituden 7, 8 werden min destens einem Mittel zur Bildung einer Differenz 9, 10 zugeführt, der die Differenzen zwischen den ersten Winkel F repräsentierenden Amplituden 3, 4 und den zweiten, geschätzten Winkel F_beΐ repräsentierenden Amplituden 7, 8 bildet.

Diese Differenzen 9, 10 werden dem Winkelschätzer 6 zugeführt, so dass der Winkel schätzer 6 unter Berücksichtigung der zugeführten Differenzen 9, 10 einen neuen zweiten Winkel <t>_est schätzen kann. Das Verfahren wird fortgeführt, bis der Betrag der Differenz 9, 10 kleiner einem festgelegten Wert ist.

Durch das beschriebene Verfahren der Rekursion nach Art einer Regelung wird die Winkelbestimmung ohne zeitaufwändige Berechnung aus den repräsentierenden Amplituden 3, 4 sondern durch rekursive Annäherung an einen gewünschten Wert durchgeführt.

Da reale Systeme in der Regel nicht ideal sind, kann es sinnvoll sein, Fehlerkorrektu ren vorzunehmen. Bei dem der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung 2 zugrunde liegenden induktiven Sensorsystem können sich die Fehler unter anderem durch Toleranzen (beispielsweise Exzentrizität zwischen Rotor und Stator), durch Temperatur- und/oder Alterungseffekte sowie durch das Design selbst ergeben.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung 2 mit ersten Mit teln zur Fehlerkorrektur 18, 19, 20, 21 der den ersten Winkel F repräsentierenden, über ein Sensorsystem erfassten, elektrischen Signalen 15, 16 oder Amplituden 3, 4.

Es wird aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Kanal dargestellt. Selbstverständ lich gelten alle Fehlerkorrekturmöglichkeiten auch für jeden weiteren Kanal.

In Fig. 2 dargestellt ist der obere Kanal aus Fig. 1 . Die Amplituden 3, 4 der erfassten elektrischen Signale 15, 16 zu einem ersten Winkel F werden über die Eingänge an die Vorrichtung 1 übergeben. Der Winkelschätzer 6 schätzt einen zweiten Winkel F_beΐ und die zugehörige Amplitude 8 wird ermittelt. Die mindestens eine Differenz 9 der Amplitude 8 wird an den Winkelschätzer 6 zurückgegeben.

Erweitert wird das Blockschaltbild um verschiedene Möglichkeiten der Fehlerkorrektur 18, 19, 20 von den ersten Winkel F repräsentierenden, über ein Sensorsystem erfass ten, elektrischen Signalen 15 oder Amplituden 8. Die Fehlerkorrektur kann vor und/oder nach der Demodulation 13 der erfassten elektrischen Signale 15 erfolgen, wobei nur eine dieser Fehlerkorrekturen 18, 19, 20 oder auch mehrere Fehlerkorrekturen 18, 19, 20 vorgesehen sein können.

Durch die aufgezeigten Fehlerkorrekturen 18, 19 ,20 ist es möglich Gleich- oder Wechselsignale (wie höhere Harmonische) zu addieren oder zu subtrahieren, um Amplituden, Phasen und Offsets der eingelesenen Amplituden 15 des ersten Winkels F zu verändern.

Die Fehlerkorrekturen 18, 19, 20, 21 können im Analog- und/oder Digitalteil einer Aus werteelektronik implementiert sein. Es ist außerdem möglich bei der Fehlerkorrektur weitere Einflussgrößen zu berücksichtigen.

Die durchzuführende Fehlerkorrektur 21 kann alternativ oder zusätzlich auf das Trä gersignal 17 wirken und dieses in Amplitude, Phase, Offset oder Frequenz dynamisch anpassen.

In Fig. 3 wird eine weitere Möglichkeit mit zweiten Mitteln zur Fehlerkorrektur 22 der den zweiten, geschätzten Winkel <t>_est repräsentierenden Amplituden 8 gezeigt.

An dieser Stelle wird die Fehlerkorrektur 22 im Anschluss an die ermittelten Amplitu denwerte 8 des zweiten, geschätzten Winkels <t>_est durchgeführt.

Die durchgeführten Korrekturen und die Abhängigkeit von weiteren Einflussgrößen entsprechen den Ausführungen zu Fig. 2.

Fig. 4 zeigt die Fehlerkorrektur mit dritten Mitteln 23 durch eine Änderung des zweiten, geschätzten Winkels <t>_est. Es wird am Ende der Regelung der ausgegebene Winkel <t>_est korrigiert und ein neuer Ausgangswinkel <t>_est‘ erzeugt.

Die Fehlerkorrektur 23 für den geschätzten Winkel <t>_est kann beispielsweise eine Look-Up-Table (LUT) enthalten und jedem geschätzten Winkel <t>_est einen neuen Ausgangswinkel <t>_est‘ zuordnen. Die hinterlegte LUT kann durch unterschiedliche Verfahren erzeugt und optional zyklisch angepasst werden.

Denkbar ist hier unter anderem eine Kalibrierung oder bekannte Verfahren im Bereich des Machine Learning.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen Rotor und Stator

2 Anordnung

3, 4 einen ersten Winkel repräsentierenden Amplituden

5 Ausgang, der den zweiten, geschätzten Winkel bereitstellt

6 Winkelschätzer

7, 8 Mittel zur Ermittlung von den zweiten, geschätzten Winkel repräsen tierenden Amplituden

9, 10 Mittel zur Berechnung mindestens einer Differenz

1 1 ,12 Tiefpassfilterung

13 ,14 Multiplizierer

15, 1 6 über ein Sensorsystem erfasste elektrische Signale

17 T räger

18, 19, 20, 21 erste Mittel zur Fehlerkorrektur

22 zweite Mittel zur Fehlerkorrektur

23 dritte Mittel zur Fehlerkorrektur

F erster Winkel

<t>_est zweiter, geschätzter Winkel

F est‘ zweiter, geschätzter korrigierter Winkel