Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Sensorsignals

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Sensorsignals.

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 Kenntnis 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 Winkelgeber 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 Einhüllenden die Information über die Rotorlage gewonnen werden kann.

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

Sensorsignals. Insbesondere besteht beispielsweise ein Bedarf nach einer verlässlichen Bestimmung eines Rotorlagewinkels, auch bei einem gestörten Ausgangssignal eines Sensors.

Offenbarung der Erfindung

Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Sensorsignals mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Sensorsignals mit einer Erfassungseinrichtung, einem Speicher, einer Gewichtungseinrichtung und einer Recheneinrichtung. Die Erfassungseinrichtung ist dazu ausgelegt, ein Winkelsignal mit einer vorbestimmten Abtastrate zu erfassen. Insbesondere kann die Erfassungseinrichtung ein Ausgangssignal von einem Drehwinkelgeber mit einer vorbestimmten Abtastrate erfassen. Der Speicher ist dazu ausgelegt, eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden abgetasteten Messsignalen zu speichern. Die Gewichtungseinrichtung ist dazu ausgelegt, einen Messwertvektor mit einem vorbestimmten Gewichtungsvektor zu multiplizieren. Der Messwertvektor ergibt sich dabei als Vektor mit einer Mehrzahl von in dem Speicher gespeicherten Messsignalen. Insbesondere korrespondiert die Anzahl der Elemente des Messwertvektors zu der Anzahl der Elemente des Gewichtungsvektors. Bei dieser Multiplikation wird jeweils ein Element des Gewichtungsvektors mit einem Element des Messwertvektors multipliziert. Als Ergebnis gibt die Gewichtungseinrichtung einen gewichteten Messwertvektor aus, der die gleiche Anzahl von Elementen aufweist, wie der Messwertvektor und der Gewichtungsvektor. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgelegt, basierend auf dem gewichteten Messwertvektor ein Sensorsignal zu berechnen.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Sensorsignals mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 9. Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Sensorsignals mit den Schritten des Erfassens eines Messsignals mit einer ersten Abtastrate; des Speicherns der abgetasteten Werte des Messsignals; des Multiplizierens einer vorbestimmten Anzahl von gespeicherten abgetasteten Werten des Messsignals mit einem Gewichtungsvektor; und des Berechnens eines Sensorsignals unter Verwendung des elementweisen Produkts aus gespeicherten abgetasteten Werten und Gewichtungsvektor.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, für die Berechnung eines Sensorsignals nicht nur einzelne, abgetastete Messwerte, wie zum Beispiels das Ausgangssignal von einem Winkellagegeber, auszuwerten, sondern eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden abgetasteten Messwerten zusammen auszuwerten. Hierzu kann eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden abgetasteten Messwerten individuell gewichtet werden. Diese individuelle Gewichtung der abgetasteten ermöglicht eine Berechnung des Sensorsignals. Insbesondere ermöglicht diese gewichtete Auswertung einer Mehrzahl von abgetasteten Messwerten beispielsweise die Bestimmung eines einhüllenden Signalverlaufs der Ausgangssignale eines Winkellagegebers.

Bei geeigneter Wahl der Gewichtungsvektoren kann dabei unter anderem zuverlässig ein möglicher Gleichanteil (Offset) unterdrückt werden, so dass Fehler in der Berechnung aufgrund eines Gleichanteils vermieden werden können. Durch Skalierung der Anzahl der gewichteten abgetasteten Messwerte kann das Verfahren dabei individuell an die zur Verfügung stehende

Rechenkapazität für die Auswertung angepasst werden.

Die Verwendung eines variablen Gewichtungsvektors anstelle einer fest programmierten Gewichtung von Messwerten ermöglicht darüber hinaus eine einfache individuelle Anpassung der Auswertung, ohne dass hierzu eine vollständige Neuprogrammierung erfolgen muss.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Gewichtungsvektor anpassbar.

Beispielsweise kann der Gewichtungsvektor in einem Speicher der Gewichtungsvorrichtung abgespeichert werden. Durch einfaches Überschreiben dieses Gewichtungsvektors kann die individuelle Gewichtung der abgetasteten Messwerte angepasst werden, ohne dass hierzu eine vollständige

Neuprogrammierung erforderlich ist.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine

Synchronisationsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Elemente des

Gewichtungsvektors basierend auf einer Phasenlage des abgetasteten

Messsignals anzupassen. Insbesondere können die Gewichtungsvektoren dabei basierend auf einer Phasenlage einer Anregung eines Drehwinkelgebers angepasst werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinrichtung dazu ausgelegt, die Elemente des gewichteten Messwertvektors zu summieren und die Berechnung des Sensorsignals unter Verwendung der summierten Elemente des Messwertvektors auszuführen. Dies ermöglicht eine schnelle und

zuverlässige Berechnung des Sensorsignals.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Messsignal zwei gegeneinander phasenverschobene Messsignale. Beispielsweise kann es sich hierbei um ein Sinus-Signal und ein Kosinus-Signal eines Resolvers handeln. Die

Gewichtungseinrichtung kann dabei beide Messsignale mit einem

entsprechenden Gewichtungsvektor multiplizieren. Die Recheneinrichtung kann daraufhin die Berechnung des Sensorsignals unter Verwendung beider gewichteter Messsignale ausführen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Gewichtungseinrichtung dazu ausgelegt, einen Gewichtungsvektor aus einer Mehrzahl von gespeicherten Gewichtungsvektoren auszuwählen. Auf diese Weise kann sehr schnell eine Anpassung der Gewichtung zur Adaption an geänderte Rahmenbedingungen erfolgen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung des Sensorsignals umfasst das Verfahren einen Schritt zum Synchronisieren des Gewichtungsvektors basierend auf einer Phasenlage des abgetasteten Messsignals. Insbesondere kann die Synchronisation des Gewichtungsvektors basierend auf der Phasenlage eines Erregersignals eines Resolvers erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein

Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem Drehwinkelsensor und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Phasenwinkels. Die elektrische Maschine ist dabei mit einer Antriebswelle gekoppelt. Der

Drehwinkelsensor ist ebenfalls mit der Antriebswelle gekoppelt. Ferner ist der Drehwinkelsensor dazu ausgelegt, ein zum Phasenwinkel der Antriebswelle korrespondierendes Winkelsignal bereitzustellen.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Drehwinkelsensor dabei einen Resolver.

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 zur Bestimmung eines Phasenwinkels gemäß einer Ausführungsform; und

Figur 3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem

Verfahren 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 über die Lage des Rotors in dieser Maschine erforderlich. Ferner ist für die Regelung von Asynchronmaschinen die Kenntnis der elektrischen Frequenz 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 elektrischen Frequenz der Maschine 3 Sensoren auf Basis des Wirbelstrom- Effekts, digitale Winkelgeber oder sogenannte 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 Winkellage möglich, von denen nachfolgend exemplarisch eine Möglichkeit beschrieben wird. Beispielsweise kann die Rotorwicklung des Resolvers mit einer sinusförmigen Wechselspannung angeregt werden. Die Amplituden der in den beiden Statorwicklungen des Resolvers induzierten Spannungen sind dabei abhängig von der Winkellage des Rotors und hängen mit dem Sinus und dem Kosinus der Winkellage des Rotors zusammen. Somit kann die Winkellage des Rotors aus dem Arkustangens

(arctan) der Signale der beiden Statorwicklungen des Resolvers berechnet werden.

Der Resolver wird dabei mit einem Trägersignal angeregt. Das Trägersignal ist typischerweise sinusförmig, kann jedoch auch andere Signalformen aufweisen.

Als Ausgangssignal liefert der Resolver amplitudenmodulierte Signale, in deren Einhüllenden die Information über die Rotorlage enthalten ist. Ziel einer

Winkelberechnung ist es daher, aus den amplitudenmodulierten

Ausgangssignalen des Resolvers die Rotorlage (den Phasenwinkel) zu bestimmen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Phasenwinkels gemäß einer Ausführungsform. Die Signale 10-1 und 10-2 des Resolvers werden dabei zunächst einer Abtastvorrichtung 10 zugeführt. Bei der Abtastvorrichtung 10 kann es sich zum Beispiel um einen Analog-Digital-

Wandler handeln. Die Abtastvorrichtung 10 tastet die Signale des Resolvers mit einer vorgegebenen, in der Regel konstanten, Abtastrate ab. Die abgetasteten Werte werden daraufhin zur Weiterverarbeitung zunächst in einem Speicher 20 zwischengespeichert. Bei dem Speicher 20 kann es sich beispielsweise um einen zyklischen Speicher handeln, der eine vorbestimmte Anzahl von abgetasteten Werten speichert. Beim Einschreiben eines weiteren Wertes wird dabei jeweils der älteste gespeicherte Wert überschrieben. Andere Speicherarten sind jedoch ebenso möglich. Beispielsweise kann der Speicher 20 jeweils zehn abgetastete Messwerte für jedes abgetastete Signal speichern. Eine davon abweichende Anzahl von abgetasteten Messwerten für jedes abgetastete Signal ist darüber hinaus ebenso möglich. In einer Gewichtungseinrichtung 30 ist ferner ein Gewichtungsvektor abgespeichert. Der Gewichtungsvektor kann dabei fest in der Gewichtungsvorrichtung 30 abgespeichert sein. Alternativ ist es auch möglich, dass der Gewichtungsvektor durch eine externe Vorrichtung (hier nicht dargestellt) überschrieben bzw. verändert werden kann. Ferner kann die Gewichtungsvorrichtung 30 auch einen Speicher umfassen, in dem eine

Mehrzahl von verschiedenen Gewichtungsvektoren abgelegt ist. In diesem Fall kann basierend auf vorbestimmten Parametern einer der Mehrzahl von abgespeicherten Gewichtungsvektoren für die weitere Verarbeitung ausgewählt werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der Gewichtungsvektor basierend auf empfangenen weiteren Parametern oder Sensorsignalen dynamisch angepasst wird.

Je nach Parametrisierung des Gewichtungsvektors können durch die

Gewichtungsvektoren auch bereits bekannte Verfahren zur Rekonstruktion der Einhüllenden des Signalsverlaufs aus den Ausgangssignalen eines

Winkellagegebers nachgebildet werden. Nachfolgend sind hierzu einige Beispiel für mögliche Gewichtungsvektoren und deren korrespondierendes Verfahren wiedergegeben. Dabei dient die gewählte Anzahl von zehn Elementen für den Gewichtungs vektor lediglich einem besseren Verständnis und soll keine

Beschränkung der Anzahl von Elementen für einen Gewichtungsvektor darstellen. a = [0 0 1 0 0 0 0 0 0 0] Max-Verfahren

a = [0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0] Min-Verfahren

a = [0 0 0 1 0 0 0 -1 0 0] Min- Max- Verfahren

a = [1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 ^■ 1] Integrations- Verfahren

aj = sin(i / 10*2*TT) mit i = 0..9 kohärente Demodulation mit gleitendem

Mittelwert als Tiefpass

Darüber hinaus sind je nach Anwendungsfall beliebige weitere

Gewichtungsvektoren a ebenso möglich. Insbesondere kann durch die

Verwendung von punktsymmetrischen Gewichtungsvektoren ein möglicher Gleichanteil (Offset) während der Messung der Signale von dem

Drehwinkelgeber unterdrückt werden. Ferner kann auch insbesondere bei einem nicht-sinusförmigen Erregersignal für den Drehwinkelgeber durch Anpassung der Elemente des Gewichtungsvektors eine Offline-Anpassung erfolgen. Werden darüber hinaus in den Signalen von dem Drehwinkelgeber beispielsweise Störungen (zum Beispiel Stör-Peaks) detektiert, so kann der entsprechende Gewichtungsvektor auch Online individuell an ein solches detektiertes Störsignal angepasst werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Unterdrückung eines detektierten Störsignals erfolgen. Beispielsweise kann bei bekannten

Schaltzeitpunkten einer Leistungselektronik im Umfeld des Drehwinkelgebers eine durch diese Schaltvorgänge hervorgerufene Störung unterdrückt werden. Darüber hinaus kann auch durch Anpassung der Elemente des

Gewichtungsvektors bereits eine gewünschte Filtereigenschaft für die

Signalverarbeitung erzielt werden.

Wie bereits zuvor angeführt, ist die gewählte Anzahl von zehn Elementen für den Gewichtungsvektor nur beispielhaft zu verstehen. Insbesondere kann die Anzahl der Elemente des Gewichtungsvektors dabei an die zur Verfügung stehende Rechenkapazität des Gesamtsystems angepasst werden.

Die Gewichtungseinrichtung 30 passt gegebenenfalls den Gewichtungsvektor a an die weiteren Rahmenbedingungen an und multipliziert daraufhin jeweils ein Element des Gewichtungsvektors mit einem Element eines Messwertvektors, der aus der Mehrzahl der in dem Speicher 20 gespeicherten abgetasteten

Winkelsignale gebildet wird. Dabei weist der Messwertvektor eine gleiche Anzahl von Elementen auf wie der Gewichtungsvektor. Als Ergebnis dieser Multiplikation ergibt sich somit ein gewichteter Messwertvektor.

Basierend auf diesem gewichteten Messwertvektor erfolgt daraufhin eine Bestimmung der einhüllenden Signalverläufe der von dem Drehwinkelgeber bereitgestellten Signale per Summation aller Elemente des gewichteten

Messwertvektors sowie eine Berechnung des dazu korrespondierenden

Phasenwinkels. Die Berechnung des Phasenwinkels kann dabei basierend auf bekannten oder neuartigen Verfahren in einer Berechnungseinrichtung 50 erfolgen.

Nachfolgend ist das Verfahren noch einmal detaillierter beschrieben.

In einem ersten Schritt erfolgt zunächst eine Identifikation des letzten Abtastwerts vor der Berechnung. In diesem Schritt wird der letzte Abtastwert vor einem Bezugszeitpunkt eines Rechenrasters identifiziert. Beispielsweise kann hierzu der Zeitstempel der Abtastwerte mit einem Zeitstempel eines Bezugszeitpunktes in dem Rechenraster verglichen werden.

Anschließend erfolgt eine Synchronisation zur Ausrichtung der Gewichte des Gewichtungsvektors. Hierzu wird eine genaue Phasenlage des Trägers in dem Erregersignal benötigt. Für diese Synchronisation, das heißt die Ermittlung der Phasenlage wird dabei ein Synchronisationssignal bereitgestellt, das

beispielsweise aus dem zurückgelesenen Erregersignal oder den Messsignalen gewonnen werden kann. Diese Synchronisation kann beispielsweise in einer Synchronisationsvorrichtung 40 erfolgen.

Ausgehend von der genauen Phasenlage des Trägers in den Erregersignalen, die während der Synchronisation ermittelt wurden, sowie gegebenenfalls weiteren Kriterien wie zum Beispiel eine Detektion von Störungen oder der Bestimmung von Schaltzeitpunkten, kann daraufhin ein geeigneter

Gewichtungsvektor ermittelt werden.

Die abgetasteten Messwerte in dem Speicher 20 werden als Elemente eines Messvektors mit den Elementen des Gewichtungsvektors jeweils elementweise multipliziert und anschließend aufsummiert.

Anschließend erfolgt eine Berechnung der einhüllenden Wellenform der amplitudenmodulierten Ausgangssignale des Drehwinkelgebers und daraus eine Berechnung des Phasenwinkels. Für eine spätere Totzeitkompensation kann darüber hinaus eine Totzeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Wert der einhüllenden Wellenform rekonstruiert wurde und einem Bezugszeitpunkt des Rechenrasters ermittelt werden.

Figur 3 zeigt eine Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahrens zur Bestimmung eines Sensorsignals gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

In Schritt Sl werden zunächst ein oder mehrere Messsignale mit einer ersten Abtastrate abgetastet. Anschließend werden in Schritt S2 die abgetasteten Werte gespeichert. Wie bereits zuvor beschrieben kann daraufhin ein Gewichtungsvektor ausgelesen oder gegebenenfalls berechnet bzw. angepasst werden. Daraufhin erfolgt in Schritt S3 eine Multiplikation einer vorbestimmten Anzahl von gespeicherten abgetasteten Werten des Messsignals mit den Elementen des Gewichtungsvektors. In Schritt S4 erfolgt daraufhin eine

Berechnung des Sensorsignals unter Verwendung des Produkts aus

abgetasteten Werten und Gewichtungsvektor.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Rekonstruktion einer einhüllenden Wellenform eines Messsignals zur Bestimmung eines

.Sensorsignals. Beispielsweise kann das Signal eines Drehwinkelgebers (insbesondere eines Resolvers) zur Rekonstruktion eines Rotorlagewinkels verarbeitet werden. Hierzu wird eine vorgegebene Anzahl von

aufeinanderfolgenden abgetasteten Werten eines Signals von einem

Drehwinkelgeber mit den Elementen eines Gewichtungsvektors multipliziert. Basierend auf einem so gewichteten Messvektor kann daraufhin eine einhüllende Wellenform eines Signalverlaufs von einem Drehwinkelgeber bestimmt werden und daraus ein Phasenwinkel berechnet werden.