Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und von einer Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 7.

Drehzahlvariable Antriebe auf Basis von Synchronmaschinen sind Stand der Technik. Um die Synchronmaschine korrekt ansteuern zu können, müssen Informationen über den aktuellen Rotorwinkel vorliegen. Dabei ist der erforderliche Eindeutigkeitsbereich von der Polpaarzahl Zp des Motors abhängig. Der Rotorwinkel muss nur innerhalb eines Bereichs der Größe 360 Zp eindeutig bekannt sein. Es ist also unerheblich, ob der Winkel x° oder x°+(3607Zp) beträgt.

Üblicherweise wird der Rotorwinkel mit Hilfe eines Winkelsensors gemessen. Eine bekannte Möglichkeit ist der Einsatz eines Gebermagneten und eines AMR- Winkelsensors, d.h. eines Winkelsensors, der einen anisotropen magnetoresisti- ven Effekt ausnützt. Damit kann jedoch kein in einem uneingeschränkten Winkelbereich von 0 bis 360° eindeutiger Rotorwinkel gemessen werden, sondern nur ein in einem eingeschränkten Winkelbereich von 0 bis 180° eindeutiger Rotorwinkel. Eine Unterscheidung zwischen einem Rotorwinkel von x° und von x°+180° ist damit nicht möglich. Eine solche Winkelsensorik ist folglich nur für Synchronmaschinen mit einer geraden Polpaarzahl einsetzbar. Um ein im uneingeschränkten Winkelbereich von 0 bis 360° eindeutiges Winkelsignal zu erhalten, kann der AMR-Winkelsensor mit zwei Hall-Sensoren kombiniert werden. In der Offenlegungsschrift DE 102 48 060 A1 werden beispielsweise eine solche Magnetfeldsensoranordnung für einen Winkelsensor und ein Ver- fahren zum Betrieb einer derartigen Sensoranordnung beschrieben. Die beschriebene Magnetfeldsensoranordnung umfasst einen Winkelsensor, über den die aktuelle Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem vorgegebenen Winkelbereich messbar ist. Dem Winkelsensor sind zumindest zwei Sensorelemente zugeordnet, über welche die aktuelle Magnetfeldrichtung des magnetischen Bauteils messbar ist, wobei die Sensorelemente in der Weise zueinander angeordnet sind, dass ihre die Hauptmessrichtung kennzeichnenden Achsen einen Winkel einschließen. Bei der beschriebenen Magnetfeldsensoranordnung sind jedoch zusätzliche Bauelemente in Form von Sensorelementen erforderlich.

Zudem ist es bekannt, dass der Rotorwinkel durch Messung elektrischer Größen geschätzt werden kann. Dazu können zwei bekannte Effekte ausgenutzt werden. So ist beispielsweise die in den Statorspulen der Synchronmaschine induzierte Spannung vom Rotorwinkel abhängig. Des Weiteren können die Induktivitäten der Statorspulen je nach Bauform der Synchronmaschine vom Rotorwinkel abhängen.

So werden beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2006 004 166 A1 ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Schätzung des Rotorwinkels einer Synchronmaschine im Stillstand beschrieben. Entsprechend dem beschriebenen

Verfahren werden drei kurze Spannungspulse in verschiedene Richtungen an die Statorwicklungen der Synchronmaschine angelegt. Aus den gemessenen Stromanstiegen wird dann der Rotorwinkel bestimmt. In der Patentschrift AT 397 727 B wird beispielsweise ein Verfahren und eine

Schaltungsanordnung zur sensorlosen Drehwinkelerfassung eines Rotors einer Synchronmaschine beschrieben. Das beschriebene Verfahren bestimmt mittels Spannungspulsen den Rotorwinkel, wobei angenommen wird, dass die Induktivitäten der Statorspulen der Synchronmaschine näherungsweise sinusförmig vom Rotorwinkel abhängen. Es ist also prinzipiell möglich, ohne Winkelsensor auszukommen und den Rotorwinkel zu schätzen. Diese Winkelschätzmethoden erfordern aber aufwändige Berechnungen, verursachen eine Geräuschentwicklung und weisen eine schlechtere Genauigkeit auf, als wenn eine Winkelsensorik eingesetzt wird.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein mit einer Winkelsensorik für einen eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessener aktueller Winkelmesswert unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils in eine eindeutige aktuelle Winkelposition in einem uneingeschränkten Winkelbereich umgerechnet wird. Hierbei werden Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils durch Anlegen von ersten Testimpulsen an den elektrischen Antrieb und durch Auswerten von resultierenden zweiten Testimpulsen ermittelt, welche im elektrischen Antrieb in Reaktion auf die angelegten ersten Testimpulse entstehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Auswerte- und/oder Steuereinheit vorhanden ist, welche über eine Schnittstelleneinheit Informationen über einen innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert empfängt, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit den für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils in eine eindeutige aktuelle Winkelposition in einem uneingeschränkten Winkelbereich umrechnet. Hierbei ermittelt die Auswerte- und/oder Steuereinheit Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils für eine Initialkonfiguration durch Auswerten von ersten Testimpulsen, welche an den elektrischen Antrieb angelegt sind, und von zweiten Test- impulsen, welche im elektrischen Antrieb in Reaktion auf die angelegten ersten

Testimpulse entstehen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise den Einsatz einer Winkelsensorik, welche Winkelmesswerte nur in einem eingeschränkten Winkelbereich von beispielsweise 0 bis 180° eindeutig messen kann, für elektrische Antriebe mit ungerader Polpaarzahl, die vorzugsweise eine Synchronmaschine mit ungerader Polpaarzahl umfassen, ohne zusätzliche Bauelemente, wie beispielsweise Hall-Sensorelemente. Da die von der Winkelsensorik gemessenen Winkelmesswerte unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils in eindeutige Winkelpositionen in einem uneingeschränkten Winkelbereich von beispielsweise 0 bis 360° umgerechnet werden, ist in vorteilhafter Weise eine sehr genaue Bestimmung der aktuellen Winkelposition mit der Winkelsensorik, welche den aktuellen Winkelmesswert nur innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, ohne zusätzliche Bauelemente und ohne aufwändige Berechnungen möglich. Da Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils nur einmal für jede Initialkonfiguration bestimmt werden müssen, und die nachfolgende Berechnung der aktuellen Winkelposition einfach und schnell ausgeführt werden kann, ist der Rechenaufwand bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schätzverfahren, die keine Winkelsensorik verwenden, in vorteilhafter Weise sehr gering. Die Winkelsensorik umfasst beispielsweise einen AMR-Winkelsensor, welcher einen anisotropen magnetoresistiven Effekt ausnützt. Da solche AMR-Winkelsensoren kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden, ist eine einfache und kostengünstige Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Zudem weisen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch den Wegfall von zusätzlichen Bauteilen Vorteile bezüglich Bauraum und Kosten im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Magnetfeldsensoranordnungen für eine Winkelsensorik auf. Zum Erzeugen und Messen der Testimpulse können in vorteilhafter Weise ohnehin zur Steuerung der elektrischen Antriebe vorhandene Bauelemente verwendet werden, die als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt und/oder über entsprechende Schnittstelleneinheiten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gekoppelt werden können.

Ausführungsformen der Erfindung können mit Hilfe der Winkelsensorik beispielsweise den Winkelmesswert eines Rotors des elektrischen Antriebs im Win- kelbereich von 0 bis 180° eindeutig messen. Damit kann die Richtung - aber bei ungerader Polpaarzahl nicht das Vorzeichen - des Rotor-Magnetfeldes, d.h. einer d-Achse des Rotormagnetfelds bestimmt werden. Der Rotor weißt beispielsweise ein Polpaar auf, wobei die Lage des Rotor-Magnetfelds durch rotorfeste magnetischen Achsen vorgegeben wird, die auch als d-Achse bzw. q-Achse bezeichnet werden. Bei der Verwendung von nur einem Polpaar gibt es genau eine d- und eine q-Achse. Bei Rotoren mit mehreren Polpaaren gibt es entsprechend mehrere d- und q-Achsen. Das Rotor-Magnetfeld kann beispielsweise von Permanentmagneten und/oder durch eine Wicklung elektrisch erzeugt werden.

Nun ist es möglich, den Stator des elektrischen Antriebs so zu bestromen, dass ein Stator-Magnetfeld erzeugt wird, das dieselbe Richtung aufweist, wie das Rotor-Magnetfeld. Da der von der Winkelsensorik gemessene aktuelle Winkelmesswert nur auf 180° eindeutig ist, ist zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt, ob die Vorzeichen des Rotor- und des Stator-Magnetfelds gleich sind. Es ist also nicht bekannt, ob die beiden Magnetfelder sich addieren oder subtrahieren. Wenn sich die Magnetfelder addieren, dann wird das Gesamtmagnetfeld relativ groß und das weichmagnetische Material (Eisen) des elektrischen Antriebs sättigt relativ stark. Wenn sich die Magnetfelder subtrahieren, dann wird das Gesamtmagnetfeld relativ klein und das Eisen sättigt kaum. Aufgrund der unterschiedlichen Sättigung des Eisens haben die Statorspulen in beiden Fällen unterschiedliche Induktivitäten. Addieren sich die Felder, so ist die Sättigung stärker und damit die Induktivität kleiner und folglich der Stromanstieg steiler. Werden also an die Statorspulen nacheinander ein positiver und ein negativer Spannungspuls in d- Richtung angelegt, dann ist die Anstiegsgeschwindigkeit des Statorstroms bei beiden Spannungspulsen unterschiedlich. Aus der Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms kann dann auf die Induktivität und damit auf das Vorzeichen des Rotormagnetfeldes geschlossen werden. Damit wird es möglich zu entscheiden, welches die positive und welches die negative d-Richtung des Rotormagnetfeldes ist. In der Richtung mit stärkerem Stromanstieg ist die Induktivität kleiner, die Magnetfelder addieren sich also. Dies ist die positive d-Richtung, in die ein Nordpol des Rotors zeigt. In der entgegengesetzten Richtung ist die Induktivität größer, die Magnetfelder subtrahieren sich. Dies ist die negative d-Richtung, in die ein Südpol des Rotors zeigt. Diese Auswertung wird nur einmal bei einer Initialkonfiguration ausgeführt, die einen Stillstand des elektrischen Antriebs repräsentiert. So können Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils beispielsweise bei jedem Systemstart ausgeführt werden, in welches der elektrische Antrieb 5 eingebaut ist, also beispielsweise bei jedem Fahrzeugstart. Um danach stets einen eindeutigen Winkelmesswert zu erhalten wird sichergestellt, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei Winkelmessungen so klein ist, dass sich der Winkel auch bei Maximaldrehzahl der Synchronmaschine in dieser Zeit um weniger als 90° ändert. Die Nulllage des Winkelmesswerts der Winkelmesssensorik wird in l o vorteilhafter Weise so festgelegt, dass der gemessene Winkelmesswert dem

Winkel der d-Achse des Rotormagnetfelds entspricht. Der Spannungsbetrag der erzeugten Testimpulse und die Zeitdauer, für welche die als Spannungsimpulse ausgeführten Testimpulse an den elektrischen Antrieb angelegt werden, werden vorzugsweise so vorgegeben, dass die resultierenden Ströme nicht so hoch sind,

15 dass der elektrische Antrieb und/oder eine zugehörige Elektronik geschädigt werden können, aber hoch genug sind, so dass die Ströme mit der Strommess- sensorik des elektrischen Antriebs ausreichend genau gemessen werden können.

20 Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in jedem System mit elektrischem Antrieb eingesetzt werden, wenn eine Winkelsensorik, welche einen aktuellen Winkelmesswert nur innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, und eine Stromsensorik vorhanden sind, und der elektrische Antrieb eine ungerade Anzahl von Polpaaren aufweist.

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So ist der Einsatz beispielsweise in einer elektrischen (Servo-)Lenkung, in Elekt- rowerkzeugen mit Synchronmaschine bzw. bürstenloser Gleichstrommaschine, in einem Hybridantrieb mit einer Kombination aus Verbrennungsmotor und elektrischem Antrieb oder in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen möglich.

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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb sowie der 35 im unabhängigen Patentanspruch 7 angegebenen Vorrichtung zur Ermittlung ei- ner aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils in einem elektrischen Antrieb möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils einmalig für die jeweilige Initialkonfiguration bestimmt werden. Dadurch kann der Rechenaufwand zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition deutlich reduziert werden. Nach der Bestimmung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils wird der für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutige aktuelle Winkelmesswert zyklisch gemessen, wobei der für die jeweilige Initialkonfiguration im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessene aktuelle Winkelmesswert und die daraus berechnete eindeutige aktuelle Winkelposition im uneingeschränkten Winkelbereich nach der Berechnung der aktuellen Winkelposition als alter Winkelmesswert bzw. alte Winkelposition gespeichert werden, wobei die für den un- eingeschränkten Winkelbereich eindeutige aktuelle Winkelposition basierend auf der alten Winkelposition und dem alten Winkelmesswert und dem im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert berechnet wird, und wobei nach der Berechnung der aktuellen Winkelposition, der gemessene aktuelle Winkelmesswert und die daraus ermittelte aktuelle Winkel- position als alter Winkelmesswert bzw. alte Winkelposition gespeichert werden.

Das bedeutet, dass die„alten" gemessenen Winkelmesswerte bzw. berechneten Winkelpositionen bei der zu einem nachfolgenden Zeitpunkt durchgeführten Berechnung der aktuellen Winkelposition wieder verwendet werden, wobei zu späteren Zeitpunkten keine weiter Erzeugung bzw. Auswertung von Testimpulsen zur Berechnung der aktuellen Winkelposition durchgeführt wird. Die aktuelle

Winkelposition wird vorzugsweise in einem festen Zeitraster mit äquidistanten Messzeitpunkten gemessen.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die ersten Testimpulse in Abhängigkeit von vorgegebenen Informationen erzeugt und zu vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten für eine bestimmte Zeitdauer an den elektrischen Antrieb angelegt, wobei die vorgegebenen Informationen eine bestimmte Zeitdauer und/oder einen bestimmten Spannungsbetrag und/oder eine bestimmte Richtung umfassen. So können die ersten Testimpulse beispiels- weise für die bestimmte Zeitdauer als Spannungsimpulse mit dem vorgegebenen

Spannungsbetrag und korrespondierenden vorgegebenen Richtungen zu vorge- gebenen Ansteuerungszeitpunkten an Statorspulen des elektrischen Antriebs angelegt werden, wobei zu vorgegebenen Messzeitpunkten resultierende zweite Testimpulse als Stromimpulse gemessen und ausgewertet werden, und wobei die vorgegebenen Messzeitpunkte im Wesentlichen gleiche Zeitabstände zu kor- respondierenden Ansteuerungszeitpunkten aufweisen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden resultierende zweite Testimpulse, welche in Reaktion auf erste Testimpulse erzeugt werden, welche an zwei aufeinanderfolgenden Ansteuerungszeitpunkten an die Synchronmaschine angelegt wurden, zur Ermittlung einer bezüglich eines ersten Ansteuerungszeitpunkts resultierenden Länge eines ersten Gesamtstromimpulses und einer bezüglich eines zweiten Ansteuerungszeitpunkts resultierenden Länge eines zweiten Gesamtstromimpulses ausgewertet, wobei der für den eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessene aktuelle Winkelmesswert unter Verwendung der Länge des ersten Gesamtstromimpulses und der Länge des zweiten Gesamtstromimpulses, aus welchen Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils bestimmt werden, in eine eindeutige aktuelle Winkelposition im uneingeschränkten Winkelbereich umgerechnet wird. Ist die zum ersten Messzeitpunkt ermittelte Länge des resultieren- den ersten Gesamtstromimpulses beispielsweise größer oder gleich der zum zweiten Messzeitpunkt ermittelten Länge des resultierenden zweiten Gesamtstromimpulses, dann entspricht die aktuelle Winkelposition dem von der Winkel- sensorik gemessenen aktuellen Winkelmesswert. Ist die zum ersten Messzeitpunkt ermittelte Länge des resultierenden ersten Gesamtstromimpulses jedoch kleiner als die zum zweiten Messzeitpunkt ermittelte Länge des resultierenden zweiten Gesamtstromimpulses, dann entspricht die aktuelle Winkelposition nicht dem von der Winkelsensorik gemessenen aktuellen Winkelmesswert. In diesem Fall wird der aktuelle Winkelmesswert um einen bestimmten Korrekturwert ergänzt. Misst die Winkelsensorik den aktuellen Winkelmesswert innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs von beispielsweise 0 bis 180° eindeutig, dann wird in diesem Fall ein Korrekturwert von 180° zum gemessenen aktuellen Winkelmesswert addiert, um die aktuelle Winkelposition zu ermitteln.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt die Auswerte- und/oder Steuereinheit beispielsweise die ersten Testimpulse in Abhängigkeit von vorgegebenen Informationen als Spannungsimpulse mit dem vor- gegebenen Spannungsbetrag und korrespondierenden vorgegebenen Richtungen selbst und legt diese zu vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten für eine bestimmte Zeitdauer über mindestens eine Schnittstelleneinheit direkt an den elektrischen Antrieb an. Alternativ legt die Auswerte- und/oder Steuereinheit vor- gegebene Informationen zur Erzeugung der ersten Testimpulse über mindestens eine Schnittstelle an einen Spannungsgenerator an, welcher die ersten Testimpulse in Reaktion auf die vorgegebenen Informationen erzeugt und zu den vorgegebenen Ansteuerungszeitpunkten für die bestimmte Zeitdauer an den elektrischen Antrieb anlegt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung empfängt die Auswerte- und/oder Steuereinheit zu vorgegebenen Messzeitpunkten resultierende zweite Testimpulse als Stromimpulse über mindestens eine

Schnittstelleneinheit direkt vom elektrischen Antrieb und/oder von einer Strom- messeinrichtung und wertet diese aus.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wertet die Auswerte- und/oder Steuereinheit resultierende zweite Testimpulse, welche in Reaktion auf erste Testimpulse erzeugbar sind, welche an zwei aufeinan- derfolgenden Ansteuerungszeitpunkten an den elektrischen Antrieb angelegt sind, zur Ermittlung einer bezüglich eines ersten Ansteuerungszeitpunkts resultierenden Länge eines ersten Gesamtstromimpulses und einer bezüglich eines zweiten Ansteuerungszeitpunkts resultierenden Länge eines zweiten Gesamtstromimpulses aus, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit den im einge- schränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert unter Verwendung der Länge des ersten Gesamtstromimpulses und der Länge des zweiten Gesamtstromimpulses, aus welchen Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils bestimmbar sind, in eine eindeutige aktuelle Winkelposition im uneingeschränkten Winkelbereich umrechnet.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können als Schaltung, Vorrichtung, Verfahren, Datenverarbeitungsprogramm mit Programmcodemitteln und/oder als Computerprogrammprodukt realisiert werden. Entsprechend kann die vorliegende Erfindung vollständig als Hardware und/oder als Software und/oder als Kombination aus Hardware- und/oder Softwarekomponenten ausgeführt werden. Zudem kann die vorliegende Erfindung als Computerprogramm- Produkt auf einem computernutzbaren Speichermedium mit computerlesbarem Programmcode ausgeführt werden, wobei verschiedene computerlesbare Speichermedien wie Festplatten, CD-ROMs, optische oder magnetische Speicherelemente usw. benutzt werden können.

Die computernutzbaren oder computerlesbaren Medien können beispielsweise elektronische, magnetische, optische, elektromagnetische Infrarot- oder Halbleitersysteme, Vorrichtungen, Geräte oder Verbreitungsmedien umfassen. Zudem können die computerlesbaren Medien eine elektrische Verbindung mit einer oder mehreren Leitungen, eine tragbare Computerdiskette, einen Speicher mit direktem Zugriff (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen löschbaren und programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM oder Flashspeicher, eine optischen Leitung und eine tragbare CD-ROM umfassen. Das computernutzbare oder das computerlesbare Medium kann sogar Papier oder ein anderes geeignetes Medium sein, auf welchem das Programm geschrieben ist, und von welchem es, beispielsweise durch einen optischen Abtastvorgang des Papiers oder des anderen Mediums elektrisch erfassbar ist, dann kompiliert, interpretiert oder falls erforderlich auf andere Weise verarbeitet und dann im Computerspeicher gespeichert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Rotorlagenbestimmung einer Synchronmaschine.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Winkellage des Rotors einer Synchronmaschine.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Verlauf von Spannungsimpulsen, welche an Statorspulen einer Synchronmaschine angelegt werden. Fig. 4 zeigt einen schematischen Verlauf von gemessenen Phasenströmen der Synchronmaschine.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Verlauf des Gesamtstroms, der aus den ge- messenen Phasenströmen der Synchronmaschine resultiert.

Ausführungsformen der Erfindung

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 zur Ermittlung einer aktuellen Winkelposition eines drehbaren magnetischen Bauteils 12 in einem elektrischen Antrieb 10, der im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Synchronmaschine 10 mit einem Rotor 12 aufweist, eine Winkelsensorik 28, welche einen aktuellen Winkelmesswert (pA R.k des Rotors 12 innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel 0 bis 180° aufweist. Zudem weist der dargestellte elektrische Antrieb bzw. die Synchronmaschine 10 eine ungerade Polpaarzahl Zp auf.

Erfindungsgemäß empfängt eine Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 über eine Schnittstelleneinheit 22.4 Informationen über den im eingeschränkten Winkelbereich eindeutig gemessenen aktuellen Winkelmesswert c _A R,k und rechnet diesen gemessenen aktuellen Winkelmesswert ( _A MR,k unter Verwendung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Rotors 12 in eine eindeutige aktuelle Winkelposition cp _k in einem uneingeschränkten Winkelbereich um. Hierbei ermittelt die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Bauteils 12 für eine Initialkonfiguration durch Auswerten von ersten Testimpulsen U _a , U _b , U _c , welche an die Synchronmaschine des elektrischen Antriebs 10 angelegt sind, und von zweiten Testimpulsen \- _\ , l ₂ , , lt., I _c , welche in der Synchronmaschine des elektrischen Antriebs 10 in Reaktion auf die angelegten ersten Testimpulse U _a , U _b , U _c entstehen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 vorgegebene Informationen, welche eine bestimmte Zeitdauer t _Pu | _S und/oder einen bestimmten Spannungsbetrag U und/oder eine bestimmte Richtung COS(CPAMR), COS(9AMR-120°), cos(cp _AMR -240°), cos((p _AMR -180 ^o ), cos((p _AM R-120 ^o - 180°), cos(cp _A MR-240 ^o -180°) umfassen. Die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 überträgt die vorgegebenen Informationen zur Erzeugung der ersten Testimpulse U _a , U , U _c über mindestens eine Schnittstelle 22.4 an einen Spannungsgenerator 24, welcher die ersten Testimpulse als Spannungsimpulse U _a , U , U _c in Reaktion auf die vorgegebenen Informationen erzeugt und zu vorgegebenen Ansteue- rungszeitpunkten für die bestimmte Zeitdauer t _PU i _s an den elektrischen Antrieb 10 anlegt. Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform kann die Funktionalität des Spannungsgenerators 24 als Teil der Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 ausgeführt werden, so dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 die ersten Testimpulse in Abhängigkeit von den vorgegebenen Informationen U, tp _U | _S , COS(CPAMR), cos((pA _M R- 20 ^o ), cos(<p _A MR-240°), cos((p _A MR-180°), cos((p _AMR -120 ⁰ - 180°), COS(CPAMR-240 ^o -180°) als Spannungsimpulse U _a , U _b , U _c mit dem vorgegebenen Spannungsbetrag U und korrespondierenden vorgegebenen Richtungen COS(9 _A MR), cos(cpA _M R-120 ^o ), cos((p _AM R-240 ⁰ ), cos(cp _A MR-180 ⁰ ), cos(cp _A MR-120 ⁰ -180 ⁰ ), cos((p _A MR-240°-180°) selbst erzeugt und zu vorgegebenen Ansteuerungszeitpunk- ten für die bestimmte Zeitdauer t _Pu | _S über mindestens eine Schnittstelleneinheit 22.4 direkt an den als Synchronmaschine ausgeführten elektrischen Antrieb 10 anlegt.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, empfängt die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 im dargestellten Ausführungsbeispiel zu vorgegebenen Messzeitpunkten resultierende zweite Testimpulse als Stromimpulse l ₂ über mindestens eine Schnittstelleneinheit 22.4 von einer Strommesseinrichtung 26, welche resultierende Phasenstromimpulse l _a , l _b , l _c der Synchronmaschine des elektrischen Antriebs 10 misst und aus den gemessenen Phasenstromimpulsen l _a , l _b , l _c die Gesamtstromimpulse \ \ ₂ bestimmt, und wertet die resultierenden zweiten Testimpulse , l ₂ , l _a , l _b , l _c , aus. Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform kann die Funktionalität der Strommesseinrichtung 26 als Teil der Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 ausgeführt werden, so dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 die Phasenstromimpulse l _a , l _b , l _c direkt in der Synchronmaschine des elektrischen Antriebs 10 misst, die Gesamtstromimpulse Ii, l ₂ bestimmt und auswertet.

Zudem weist die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 eine Recheneinheit 22.2 und eine Speichereinheit 22.6 auf, um erforderliche Berechnungen und Speichervorgänge ausführen zu können. Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, umfasst das als Rotor ausgeführte drehbare magnetische Bauteil 12 ein Polpaar 14 mit einem Südpol 14.1 und einem Nordpol 14.2. In Fig. 2 bezeichnen d und q die rotorfesten magnetischen Achsen so- wie a- und ß die ständerfesten Achsen und φ bezeichnet die aktuelle Winkelposition.

Fig. 3 bis 5 zeigen typische Verläufe des Spannungsbetrags U, der Phasen- stromimpulse l _a , l _b , l _c und des Strombetrags I.

Für die folgende Funktionsbeschreibung wird stets angenommen, dass die elektrische Maschine als 3-phasige Synchronmaschine 10 mit einer ungeraden Anzahl von Polpaaren ausgeführt ist. Es kann analog auch für jede andere Phasenanzahl angewendet werden. Für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es unerheblich, ob das Magnetfeld des als Rotor ausgeführten drehbaren magnetischen Bauteils 12 von Permanentmagneten oder durch eine Wicklung elektrisch erzeugt wird. Die Winkelsensorik 28 zur eindeutigen Messung der aktuellen Winkelposition CPAMR des Rotors 12 innerhalb des vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs von 0 bis 180° umfasst mindestens einen AMR- Winkelsensor, welcher einen anisotropen magnetoresistiven Effekt ausnützt.

Mit Hilfe der Winkelsensorik 28 kann der aktuelle Winkelmesswert ΨΑΜ ,Κ im Winkelbereich von 0 bis 180° eindeutig gemessen werden. Damit kann die Richtung - aber bei ungerader Polpaarzahl nicht das Vorzeichen - des Magnetfeldes des Rotors 14, d.h. der d-Achse, bestimmt werden. Fig. 2 zeigt beispielhaft den Aufbau des Rotors 12 mit einem Polpaar 14 und die Lage der rotorfesten magnetischen Achsen d und q. In diesem Ausführungsbeispiel gibt es genau eine d- Achse und eine q-Achse. Bei Rotoren mit mehreren Polpaaren gibt es entsprechend mehrere d- und q-Achsen. Nun ist es möglich, den Stator so zu bestro- men, dass ein Stator-Magnetfeld erzeugt wird, das dieselbe Richtung hat wie das

Rotor-Magnetfeld. Da der gemessene aktuelle Winkelmesswert < _A MR _, k nur im Bereich von 0 bis 180° eindeutig ist, ist zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt, ob die Vorzeichen des Rotor- und des Statormagnetfeldes gleich sind. Es ist also nicht bekannt, ob sich die beiden Magnetfelder addieren oder subtrahieren. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren liest die Auswerte- und/oder Steuereinheit 22 den von der Winkelsensorik 28 gemessenen aktuellen Winkelmesswert c _A MR,k ein, wobei die Nulllage der Winkelposition cp _k so festgelegt ist, dass dies der Winkel der d-Achse ist. Die nachfolgend beschriebene Bestim- mung von Richtung und Vorzeichen des Magnetfelds des drehbaren magnetischen Rotors 12 wird nur einmal beim Start des als Synchronmaschine ausgeführten elektrischen Antriebs 10 im Stillstand ausgeführt. Um danach stets einen eindeutigen aktuellen Winkelmesswert < _A R _, k zu erhalten wird sichergestellt, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei Winkelmessungen so klein ist, dass sich die Winkelposition φ _κ auch bei Maximaldrehzahl der Synchronmaschine 10 in dieser

Zeit um weniger als 90° ändert.

Zu einem ersten Ansteuerzeitpunkt t _k werden erste Spannungsimpulse U _a , U _b , an die Statorspulen für eine Zeitdauer von t _Pu | _S mit vorgegebenen Richtungen gemäß Gleichung (1 ) angelegt.

Somit gilt zum ersten Ansteuerzeitpunkt t _k : U _a = U cos(cpAMR,k) _> U = U cos((p _A R,k- 120°), U _c = U cos((p _A R _, k-240°). Hier werden der positive Spannungsbetrag U und die Zeitdauer tp _U | _S so vorgegeben, dass resultierende Ströme nicht so hoch ist, dass der elektrische Antrieb 10 oder die Steuerelektronik geschädigt werden können, aber hoch genug sind, dass die Ströme mit der Stromsensorik 26 des elektrischen Antriebs 10 ausreichend genau gemessen werden können.

Aus den zu einem ersten Messzeitpunkt t _! gemessenen Phasenströmen l _a , l _b , l _c , welche in Reaktion auf die zum ersten Ansteuerzeitpunkt t _k angelegten Spannungsimpulsen U _a , U _b , U _c entstehen, wird die Höhe des resultierenden ersten Gesamtstromimpulses I-, mit Gleichung (2) berechnet. (2) Der Wert des Gesamtstromimpulses Ii entspricht der Länge des Stromzeigers, die aus den drei Phasenströmen l _a , lt _> , l _c berechnet wird. Die Phasenströme l _a , l _b , l _c werden am Ende des Spannungspulses bzw. kurz davor gemessen.

Zu einem nachfolgenden zweiten Ansteuerzeitpunkt t _k+1 werden zweite Spannungsimpulse U _a , U _b , U _c an die Statorspulen für eine Zeitdauer von t _Pu i _s mit vorgegebenen Richtungen gemäß Gleichung (3) angelegt.

Somit gilt zum zweiten Ansteuerzeitpunkt W- U _a = (-U) cos((p _{AMR k} )=U cos((j> _A MR.k 180°), U _b = (-U) cos(cp _AM u _RR,,kk --112200° ^o ))= U cos(9 _AMR,k -120 ⁰ -180 ⁰ ), U _c = (-U) cos(cp _AMR , _k - 240°)= U cos(9AMR _,k -240 ^o -180°). Aus den zum zweiten Messzeitpunkt t ₂ gemessenen Phasenströmen l _a , l _b , l _c , welche in Reaktion auf die zum zweiten Ansteuerzeitpunkt t _k+1 angelegten Spannungsimpulsen U _a , U _b , U _c entstehen, wird die Höhe des resultierenden zweiten Gesamtstromimpulses l ₂ mit Gleichung (2) berechnet. Wichtig ist hierbei, dass die Zeitdauer ab Start der Spannungsimpulse bis zur Strommessung gleich ist wie bei den ersten Messungen.

Ist der zum ersten Messzeitpunkt t ermittelte resultierende erste Gesamtstromimpuls Ii größer oder gleich dem zum zweiten Messzeitpunkt t ₂ ermittelten resultierenden zweiten Gesamtstromimpuls l ₂ , dann entspricht die aktuelle Winkelposition φκ des Rotors 12 dem von der Winkelsensorik 28 gemessenen aktuellen Winkelmesswert 9 _A MR,K, d.h. ⁽ p _k =(p _AM R,k- Ist der zum ersten Messzeitpunkt ermittelte resultierende erste Gesamtstromimpuls kleiner als der zum zweiten Messzeitpunkt t ₂ ermittelte resultierende zweite Gesamtstromimpuls l ₂ , dann entspricht die aktuelle Winkelposition q> _k des Rotors 12 einer Winkelsumme aus dem von der Winkelsensorik 28 gemessenen aktuellen Winkelmesswert < _A MR,k und einem Korrekturwert von 180°, d.h.

Die aktuelle Winkelposition <p _k und der gemessene Winkelmesswert (p _AM R _, k werden im Speicher 22.6 gespeichert. Im Folgenden wird der Winkelmesswert AMR.k zyklisch gemessen, idealerweise in einem festen Zeitraster mit äquidistanten Winkelmesszeitpunkten ti bis t _n . In jedem Winkelmesszeitpunkt t _k mit k = 1 bis n wird aus einem alten gemessenen Winkelmesswert >AMR,k-i vom letzten Winkelmesszeitpunkt tk-i , der zum letzten Messzeitpunkt t _k-1 berechneten alten Winkelposition c _k- i und einem zum aktuellen Zeitpunkt t _k gemessenen aktuellen Winkelmesswert (pA R.k die neue aktuelle Winkelposition <p _k des Rotors 12 berechnet.

Wenn der Differenzbetrag zwischen dem alten gemessenen Winkelmesswert <PA R,k-i und dem gemessenen aktuellen Winkelmesswert c _A MR,k kleiner als das Produkt aus der zeitlichen Differenz der Winkelmesszeitpunkte (t _k - t _k- i) und der maximal möglichen Winkelgeschwindigkeit co _max ist, d.h.

^{dann nat die} aktuelle Winkelposition cp _k des Ro ^¬ tors 12 die Grenze 0°/180° noch nicht überschritten, wobei co _max die maximal mögliche Winkelgeschwindigkeit der Synchronmaschine 10 ist. Daher berechnet sich die aktuelle Winkelposition cp _k des Rotors 12 für diesen Fall aus Gleichung (4).

<Pk = <Pk -\ + <PAMRJc - <PAURJ _C -1 ( ⁴ )

Wenn der Differenzbetrag zwischen dem alten gemessenen Winkelmesswert 9AMR, _k -i und dem aktuell gemessenen Winkelmesswert CPAMR.K größer als das Produkt aus der zeitlichen Differenz der Messzeitpunkte (t _k - t _k-1 ) und der maximal möglichen Winkelgeschwindigkeit ro _max ist, d.h.

Hnax ^{dann hat die} aktuelle Winkelposition q> _k des Ro ^¬ tors 12 die Grenze 0°/180° überschritten, wobei & _max die maximal mögliche Winkelgeschwindigkeit der Synchronmaschine ist. Daher berechnet sich die aktuelle Winkelposition cp _k des Rotors 12 für diesen Fall aus Gleichung (5).

% = mod(^_, + - <p _mR ^ + 180°,360°) (5)

Fig. 3 bis 5 zeigen typische Verläufe des Spannungsbetrags U, der Phasen- stromimpulse l _a , lb, l _c und des Strombetrags I. Es ist klar zu erkennen, dass der erste Gesamtstromimpuls l-ι höher ist als der zweite Gesamtstromimpuls l ₂ . Somit wurden die erste Spannungspulse also in Richtung des Permanentmagnet- Nordpols angelegt, so dass sich Stator- und Rotorfeld positiv überlagern. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in jedem elektrischen Antrieb eingesetzt werden, wenn eine Winkelsensorik, welche die aktuelle Winkelposition des Rotors innerhalb eines vorgegebenen eingeschränkten Winkelbereichs eindeutig misst, und eine Stromsensorik vorhanden sind und der elektri- sehe Antrieb eine ungerade Anzahl von Polpaaren aufweist.