Titel

Verfahren und eine Vorrichtung zum Anpassen von Signalen von einem

Drehwinkelgeber

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anpassen von Signalen von einem Drehwinkelgeber. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Normieren der Ausgangssignale eines Drehwinkelgebers, wie zum Beispiel eines Resolver.

Stand der Technik

Elektro- und Hybridfahrzeuge gewinnen zunehmend an Bedeutung. Zur

Regelung von permanenterregten Synchronmaschinen (PSM) und elektrisch erregten Synchronmaschinen (ESM), wie sie in solchen Fahrzeugen eingesetzt werden, ist die Kenntnis des Rotorlagewinkels derartiger Maschinen erforderlich. Weiterhin ist zur Regelung von Asynchronmaschinen (ASM) die Kenntnisse der elektrischen Frequenz des Antriebs notwendig. Zur Ermittlung des

Rotorlagewinkels bzw. der elektrischen Frequenz können verschiedene

Sensorarten eingesetzt werden. Zum Beispiel sind Sensoren auf Basis des

Wirbelstrom- Effekts, Resolver oder digitale Winkelgebersignale möglich.

Ein Resolver wird dabei beispielsweise mit einem vorzugsweise sinusförmigen Trägersignal angeregt. Als Empfängersignale des Resolvers erhält man dabei in der Regel gestörte, amplitudenmodulierte Spannungen, aus deren Einhüllende die Information über die Rotorlage gewonnen werden kann.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2011 078 583 AI offenbart beispielsweise eine Auswertung von Resolver-Sensorsignalen in einem Fahrzeug. Ein Resolver nimmt hierzu eine Drehbewegung eines Rotors auf, und ein Prozessorelement verarbeitet die sinus- bzw. kosinusförmigen Ausgangssignale des Resolver.

Bei einem Resolver mit Rotorerregung kann aus dem Quotienten der

Ausgangssignale aus den Statorwicklungen auf die Winkellage des Rotors geschlossen werden. Konventionelle Auswerteschaltungen stellen dabei an die Güte der Empfängersignale aus den Statorwicklungen explizite und implizite Anforderungen.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung zum effizienten Anpassen der Signale von einem Drehwinkelgeber, so dass eine genaue Auswertung der Signale für die Bestimmung der Rotorlage ermöglicht werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Anpassen von Signalen von einem Drehwinkelgeber mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anpassen von Signalen von einem Drehwinkelgeber mit den Schritten des Detektierens eines Maximalwerts in einem Signal einem Drehwinkelgeber und des Detektierens eines Minimalwerts in einem Signal von einem Drehwinkelgeber. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt zum Berechnen einer Amplitude und/oder eines Gleichanteils (Offset) in dem Signal von dem Drehwinkelgeber. Amplitude bzw. Gleichanteil in dem Signal von dem Drehwinkelgeber werden dabei unter Verwendung des detektierten Maximalwerts und des detektierten Minimalwerts berechnet. Basierend auf der berechneten Amplitude und/oder dem berechneten Gleichanteil in dem Signal von dem Drehwinkelgeber wird daraufhin das Signal von dem Drehwinkelgeber normiert.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine

Vorrichtung zum Anpassen von Signalen von einem Drehwinkelgeber

Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 8. Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Anpassen von Signalen von einem Drehwinkelgeber mit einem Maximum-Detektor, einem Minimum-Detektor, einer Recheneinrichtung und einer Normierungseinrichtung. Der Maximum-Detektor ist dazu ausgelegt, in einem Signal von einem

Drehwinkelgeber einen Maximalwert zu detektieren. Der Minimum-Detektor ist dazu ausgelegt, in dem Signal von dem Drehwinkelgeber einen Minimalwert zu detektieren. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Amplitude und/oder einen Gleichanteil in dem Signal von dem Drehwinkelgeber zu berechnen. Die Berechnung der Amplitude bzw. des Gleichanteil in dem Signal von dem

Drehwinkelgeber erfolgt dabei unter Verwendung des detektierten Maximalwerts und des detektierten Minimalwerts. Die Normierungseinrichtung ist dazu ausgelegt, das Signal von dem Drehwinkelgeber basierend auf der berechneten Amplitude und/oder dem berechneten Gleichanteil zu normieren.

Vorteile der Erfindung

Durch das Normieren der Signale von dem Drehwinkelgeber weisen diese Signale einen einheitlichen Wertebereich auf. Dies ermöglicht eine besonders einfache und präzise Weiterverarbeitung der so aufbereiten Signale.

Insbesondere können bei der Verwendung von mehreren Signalen von einem Drehwinkelgeber dabei auch alle diese Signale auf einen einheitlichen

Wertebereich angepasst werden. So können beispielsweise bei einem Rotorangeregten Resolver die Signale beider Statorwicklungen, also das Sinus-Signal und das Kosinus-Signal auf gleiche Amplitudenpegel angepasst werden.

Die Normierung der Signale des Drehwinkelgebers stellt somit sicher, dass die aufbereiteten Signale von dem Drehwinkelgeber einen klar definierten

Wertebereich mit konstanter Amplitude aufweisen. Schwankungen in den Amplituden der Signale von dem Drehwinkelgeber können auf diese Weise ausgeglichen werden. Sollen darüber hinaus mehrere Signale von dem

Drehwinkelgeber miteinander verglichen werden, so kann durch die

erfindungsgemäße Aufbereitung der Signale auch ein konstantes Verhältnis der Amplituden in den einzelnen Signalen zueinander gewährleistet werden. Weiterhin kann durch das Ermitteln eines Gleichanteils in den Signalen von dem Drehwinkelgeber ein mögliches Offset in den Signalen eliminiert werden.

Hierdurch können gegebenenfalls vorhandene additive Anteile entfernt werden. Dies führt zu einer sichereren und zuverlässigeren Bestimmung der tatsächlichen Rotorlage basierend auf den von dem Drehwinkelgeber bereitgestellten Signalen.

Derart aufbereitete Signale von einem Drehwinkelgeber, wie beispielsweise von einem Resolver, ermöglichen eine besonders einfache Weiterverarbeitung.

Insbesondere können für die Weiterverarbeitung derart angepasster Signale von einem Drehwinkelgeber bereits im Markt verfügbare, konventionelle Baugruppen, wie zum Beispiel integrierte Schaltungen verwendet werden. Dabei können die Anforderungen derartiger Baugruppen durch die erfindungsgemäße Aufbereitung auf einfache und effiziente Weise eingehalten werden. Ferner sinken durch die erfindungsgemäße Aufbereitung der Signale von dem Drehwinkelgeber auch die Anforderungen für die Entwicklung zukünftiger Auswerteschaltungen.

Gemäß einer Ausführungsform werden der Maximalwert und der Minimalwert in den Signalen von dem Drehwinkelgeber während einer vorbestimmten

Zeitspanne detektiert. Die Zeitspanne zur Detektion des Maximalwert bzw. des Minimalwert kann dabei entsprechend der Periodizität der von dem

Drehwinkelgeber ausgegebenen Signale angepasst werden. Insbesondere kann bei einer Überwachung der Signale von dem Drehwinkelgeber von mindestens einer Periodendauer oder mehr sichergestellt werden, dass sowohl Maximalwert als auch Minimalwert detektiert werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform werden der Maximalwert und der Minimalwert innerhalb einer Periodendauer des Signals von dem Drehwinkelgeber detektiert. Die Beschränkung der Detektion von Maximalwert und Minimalwert auf genau eine Periodendauer erlaubt dabei eine besonders effiziente Detektion der Extremwerte.

Gemäß einer Ausführungsform berechnet der Schritt zum Berechnen der Amplitude in dem Signal von dem Drehwinkelgeber die Amplitude aus der halben Differenz zwischen detektiertem Maximalwert und Minimalwert. Eine derartige Berechnung der Amplitude stellt eine besonders einfache und somit effiziente und gleichzeitig zuverlässige Rechenvorschrift zur Bestimmung der Amplitude dar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform berechnet der Schritt zum Berechnen des Gleichanteils in dem Signal von dem Drehwinkelgeber den Gleichanteil aus der halben Summe von detektiertem Maximalwert und Minimalwert. Eine derartige Mittelwertbildung der Extremwerte ermöglicht eine sehr einfache Berechnung des Gleichanteil bzw. des Offsets.

Gemäß einer Ausführungsform berechnet der Schritt zum Normieren des Signals von dem Drehwinkelgeber das normierte Signal aus dem Quotienten der Differenz zwischen dem Signal von dem Drehwinkelgeber und dem berechneten Gleichanteil geteilt durch die berechnete Amplitude. Durch Subtraktion des Gleichanteils von einem aktuellen Signalwert kann dabei zunächst ein mögliches Offset eliminiert werden. Anschließend kann durch Division des aktuellen Signalwerts ohne dieses Offset ein Signalwert in einem Wertebereich zwischen - 1 und 1 erzeugt werden. Auf diese Weise ist es möglich, Signalwerte ohne Offset in einem klar definierten Wertebereich für die Weiterverarbeitung bereitzustellen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform extrapolieren die Schritte zum

Detektieren des Maximalwerts und des Minimalwerts den Maximalwert bzw. den Minimalwert aus einer Mehrzahl von diskret abgetasteten Signalwerten. Diese Extrapolation ermöglicht es, selbst dann die Extremwerte der Ausgangssignale von dem Drehwinkelgeber zu ermitteln, wenn zum Zeitpunkt des Auftretens der Extremwerte keine Abtastung erfolgt. Neben einer einfachen Extrapolation sind darüber hinaus auch andere Verfahren, wie zum Beispiel das Lernen der Ellipsenparameter der durch die Signale gebildeten Lissajous- Figur, denkbar

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein

Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem Drehwinkelgeber und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anpassen von Signalen. Die elektrische Maschine ist dazu ausgelegt, eine Antriebsachse anzutreiben. Der Drehwinkelgeber ist mit der Antriebsachse der elektrischen Maschine gekoppelt. Der Drehwinkelgeber ist ferner dazu ausgelegt, ein elektrisches Signal auszugeben, das zu der relativen Lage der Antriebsachse korrespondiert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Antriebssystems umfasst der Drehwinkelgeber einen Resover. Resolver liefern innerhalb einer Umdrehung ein absolutes Winkelsignal und müssen daher nach dem Einschalten nicht referenziert werden. Daher sind Resolver zur Drehwinkelbestimmung sehr gut geeignet.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform;

Figur 2: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Anpassen von Signalen von einem Drehwinkelgeber gemäß einer Ausführungsform; und

Figur 3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Anpassen von Signalen von einem Drehwinkelgeber gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform. Eine elektrische Maschine 3 wird von einer elektrischen Energiequelle 5 über einen Stromrichter 4 gespeist. Beispielsweise kann es sich bei der elektrischen Energiequelle 5 um eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs handeln. Bei der elektrischen Maschine 3 kann es sich beispielsweise um eine permanent erregte Synchronmaschine, eine elektrische erregte Synchronmaschine oder aber auch um eine Asynchronmaschine handeln. Grundsätzlich sind darüber hinaus auch andere elektrische Maschinen möglich. Die hier dargestellte Ausführungsform einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3 stellte dabei nur eine beispielhafte Ausführungsform dar. Darüber hinaus sind auch elektrische Maschinen mit einer von drei abweichenden Anzahl von Phasen möglich. Der Stromrichter 4 konvertiert die von der elektrischen Energiequelle 5 bereitgestellte elektrische Energie und stellt die konvertierte elektrische Energie zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 bereit. Die Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 kann dabei basierend auf Vorgaben bzw. Steuersignalen von der Steuervorrichtung 1 erfolgen. Darüber hinaus kann beim Abbremsen der elektrischen Maschine 3 auch kinetische Energie durch die elektrische Maschine 3 in elektrische Energie umgewandelt werden und diese elektrische Energie über den Stromrichter 4 in einen elektrischen

Energiespeicher der Energiequelle 5 eingespeist werden.

Für die Regelung einer permanent- oder elektrisch erregten Synchronmaschine ist dabei die Kenntnis der Lage des Rotors in dieser Maschine erforderlich.

Ferner ist für die Regelung von Asynchronmaschinen die Kenntnis der

Geschwindigkeit einer solchen Maschine notwendig. Hierzu kann die elektrische Maschine 3 mit einem Drehwinkelgeber 2 gekoppelt werden. Beispielsweise kann der Drehwinkelgeber 2 mit der Antriebsachse der elektrischen Maschine 3 gekoppelt werden. Beispielsweise sind zur Bestimmung der Rotorlage und/oder der Geschwindigkeit der Maschine 3 Sensoren auf Basis des Wirbelstrom- Effekts, digitale Winkelgebersignale oder sogenannte und Resolver möglich.

In einem Resolver sind in der Regel in einem Gehäuse zwei um 90° elektrisch versetzte Statorwicklungen angeordnet, die einen in dem Gehäuse gelagerten Rotor mit einer Rotorwicklung umschließen. Grundsätzlich sind verschiedene Alternativen zur Ermittlung der Rotorlage möglich, von denen nachfolgend exemplarisch eine Möglichkeit beschrieben wird. Beispielsweise kann die Rotorwicklung mit einer sinusförmigen Wechselspannung angeregt werden. Die Amplituden der in den beiden Statorwicklungen induzierten Spannungen sind dabei abhängig von der Winkellage des Rotors und entsprechen dem Sinus und dem Kosinus der Winkellage des Rotors. Somit kann die Winkellage des Rotors aus dem Arkustangens (arctan) der Signale der beiden Statorwicklungen berechnet werden. Die Ermittlungen der Winkellage des Rotors bzw. die elektrische Frequenz erfolgt dabei in der Steuervorrichtung 1. Für diese Ermittlung der Winkellage bzw. der elektrischen Frequenz werden in die Ausgangssignale des Drehwinkelgebers 2 dabei wie nachfolgend beschrieben zunächst aufbereitet.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Anpassen von Signalen von einem Drehwinkelgeber 2. Dabei wird im nachfolgenden die Anpassung von nur einem Signal von dem Drehwinkelgeber 2 detailliert erläutert. Bei diesem Signal kann es sich beispielsweise um das Sinus-Signal oder das Kosinus-Signal eines Resolvers handeln. Sofern der Drehwinkelgeber 2 und insbesondere der Resolver mehr als nur ein Ausgangssignal bereitstellt, können die weiteren bereitgestellten Ausgangssignale auf gleiche Weise angepasst bzw. normiert werden. Sofern es sich bei dem Ausgangssignal von dem Drehwinkelgeber 2 um ein analoges Signal handelt, wird in dieses analoge Signal zunächst von einem Analog- Digital- Wandler 10 abgetastet. Beispielsweise kann der Analog- Digital- Wandler 10 das analoge Ausgangssignal von dem Drehwinkelgeber 2 mit einer fest vorgegebenen Abtastfrequenz sowie einer vorbestimmten Auflösung abtasten und in ein digitales Signal konvertieren. Alternativ ist es auch möglich, dass bereits von dem Drehwinkelgeber 2 die Ausgangssignale in digitaler Form bereitgestellt werden. Daraufhin erfolgt durch den Extremwert- Detektor 11 eine Bestimmung der Extremwerte in den digitalisierten Ausgangssignalen des Drehwinkelgebers 2. Der Extremwert- Detektor 11 kann hierzu einen Maximum- Detektor IIa und einen Minimum-Detektor IIb umfassen. Der Maximum-

Detektor IIa ermittelten dabei in den digitalisierten Signalwerten des

Drehwinkelgebers 2 den Maximalwert. Dabei kann die Suche nach dem

Maximalwert auf eine vorbestimmte Anzahl von Abtastwerten und/oder die Abtastwerte einer vorbestimmten Zeitdauer begrenzt werden. Für eine zuverlässige Bestimmung des Maximalwerts kann der Maximum-Detektor IIa mindestens die Werte einer vollständigen Periodendauer des Ausgangssignals des Drehwinkelgebers 2berücksichtigen. Hierzu kann der Maximum-Detektor IIa oder auch der übergeordnete Extremwert- Detektor 11 das Ausgangssignal des Drehwinkelgebers 2 analysieren, um die Periodendauer zu bestimmen.

Beispielsweise kann er die Periodendauer basierend auf den detektierten Nulldurchgängen in dem Signal von dem Drehwinkelgeber 2 erfolgen. Weitere Verfahren zur Bestimmung der Periodendauer sind ebenso möglich. Alternativ kann die Periodendauer bzw. das Zeitfenster für die Extremwertsuche auch durch eine weitere Steuereinheit (nicht dargestellt) vorgegeben werden oder als fester Wert in dem Extremwert- Detektor 11 gespeichert sein.

Die Bestimmung des Minimalwerts der in dem Signal von dem Drehwinkelgeber 2 erfolgt dabei in dem Minimum-Detektor IIb des Extremwerte Detektors 11 analog zu der Bestimmung des Maximalwerts durch den Maximum-Detektor IIa, der oben beschrieben worden ist.

Nachdem die Extremwerte, d.h. der Maximalwert und der Minimalwert eines Signals von dem Drehwinkelgeber 2 ermittelt worden sind, erfolgt daraufhin eine Berechnung der Amplitude bzw. des Gleichanteils in dem Signal von dem Drehwinkelgeber 2 durch die Recheneinrichtung 12. Dabei kann die Amplitude Ü des Signals von dem Drehwinkelgeber 2 aus dem detektierten Maximalwert U _max und dem detektieren Minimalwert U _min wie folgt berechnet werden:

U = (U _max - U _min ) / 2

Analog kann ein Gleichanteil U _off in dem Signal von dem Drehwinkelgeber 2 folgendermaßen berechnet werden:

U ₀ ff - (U _max ⁺ U _min ) / 2

Basierend auf des berechneten Amplitude Ü und dem berechneten Gleichanteil U ₀ ff kann daraufhin in einer Normierungseinrichtung 13 der Gleichanteil aus dem Signal u(t) von dem Drehwinkelgeber 2 herausgerechnet werden und das Signal von dem Drehwinkelgeber 2 auf einen einheitlichen Wertebereich zwischen -1 und 1 normierte werden:

Unorm(t) = (u(t) - U ₀ ff) / U

Das so normierte Signal u _nor m(t) kann daraufhin verwendet werden, um daraus die Winkelposition des Drehwinkelgeber 2 bzw. die Winkelpositionen und/oder die Frequenz der elektrischen Maschine 3 zu bestimmen. Die Bestimmung der Winkelposition bzw. Frequenz kann dabei mittels konventioneller Verfahren bzw. konventioneller Bauelemente erfolgen. Darüber hinaus sind auch neuartige Verfahren bzw. Bauelemente zur Auswertung der Signale von dem

Drehwinkelgeber 2 möglich. Aufgrund des normierten Wertebereichs und des eliminierten Offsets in dem Signal von dem Drehwinkelgeber 2 ist dabei eine besonders zuverlässige und störungsarme Weiterverarbeitung der Signale möglich. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Anpassen von Signalen von einem Drehwinkelgeber 2 zugrunde liegt. In Schritt Sl wird zunächst ein Maximalwert in einem Signal von dem Drehwinkelgeber 2 detektiert. Parallel dazu wird in Schritt S2 ein

Minimalwert in dem Signal von dem Drehwinkelgeber detektiert.

Anschließend wird in Schritt S3 eine Amplitude und/oder ein Gleichanteil in dem Signal von dem Drehwinkelgeber 2 berechnet. Die Berechnung von Amplitude bzw. Gleichanteil in dem Signal von dem Drehwinkelgeber 2 erfolgt dabei wie bereits zuvor beschrieben. Nachdem Amplitude bzw. Gleichanteil in dem Signal von dem Drehwinkelgeber berechnet worden sind, erfolgt abschließend in Schritt

S4 eine Normierung des Signals von dem Drehwinkelgeber. Diese Normierung wird basierend auf der berechneten Amplitude bzw. dem berechneten

Gleichanteil in dem Signal von dem Drehwinkelgeber durchgeführt. Wie bereits oben ausgeführt, kann die Suche nach den Extremwerten, d.h. die

Detektion von Maximalwert bzw. Minimalwert in dem Signal von dem

Drehwinkelgeber 2 auf eine vorbestimmte Zeitspanne limitiert werden. Diese vorbestimmte Zeitspanne kann dabei basierend auf der Periodizität des Signals von dem Drehwinkelgeber 2 festgelegt bzw. angepasst werden.

Falls das Signal von dem Drehwinkelgeber 2 in analoger Form bereitgestellt wird, kann vor der Detektion der Extremwerte eine Analog-Digital-Wandlung erfolgen. Durch die diskrete Abtastung der Signale aus dem Drehwinkelgeber 2 kann es dabei vorkommen, dass zum Zeitpunkt des maximalen bzw. minimalen Werts in dem Signalverlauf von dem Drehwinkelgeber 2 keine Digitalisierung erfolgt. Um auch in einem solchen Fall den Maximal- bzw. Minimalwert des Signals von dem Drehwinkelgeber 2 zu bestimmen, können die abgetasteten Signalwerte von dem Drehwinkelgeber 2 extrapoliert werden. Hierzu ist jedes beliebige Verfahren möglich, dass eine Extrapolation der abgetasteten Signalwerte ermöglicht.

Darüber hinaus sind auch weitere Verfahren zum Berechnen bzw. Abschätzen der Extremwerte möglich. Beispielsweise ist es auch möglich, die Extremwerte durch das Lernen der Ellipsenparameter der durch die demolierten Signale gebildeten Lissajous- Figur zu ermitteln.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Anpassung von Signal von einem Drehwinkelgeber. Hierzu werden in dem Ausgangssignale des Drehwinkelgebers Extremwerte ermittelt und basierend auf diesen Extremwerten Amplitude bzw. Offsets des Ausgangssignals von dem Drehwinkelgeber berechnet. Mittels berechneter Amplitude und Offset erfolgt anschließend eine Normierung der Drehwinkelgebersignale. Dies ermöglicht eine präzise und standardisierte Weiterverarbeitung zur Bestimmung von Winkellage und Frequenz.