Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung eines Signals

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur

Verarbeitung eines Signals. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verarbeitung eines Signals bei gleichzeitiger Konvertierung eines

Verarbeitungszeitrasters.

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 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 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- Sensor nimmt hierzu eine Drehbewegung eines Rotors auf, und ein Prozessorelement verarbeitet die sinus- bzw. kosinusförmigen Ausgangssignale des Resolvers.

Aufgrund äußerer Rahmenbedingungen ist es dabei möglich, dass ein digitalisiertes Winkelsignal von einem Winkelsignalgeber, wie zum Beispiel einem Resolver, innerhalb eines Prozessorelements in einem Zeitraster bereitgestellt wird, welches sich von dem Zeitraster für die Weiterverarbeitung der

Winkelsignale unterscheidet. Beispielsweise können die Spezifikationen für ein integriertes Bauteil zur Auswertung der Ausgabesignale aus einem

Winkelsignalgeber ein Rechenraster erfordern, welches nicht zu dem

Rechenraster für die Weiterverarbeitung der Winkelsignale korrespondiert.

Daher besteht ein Bedarf nach einer Vorrichtung und einem Verfahren für eine effiziente Verarbeitung von Winkelsignalen, die mit einem variablen Zeitraster bereitgestellt worden sind.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtu zur Verarbeitung eines Signals mit den Merkmalen des unabhängigen

Patentanspruchs 1.

Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines Signals mit einer Erfassungseinrichtung, einer Differenzier- Einrichtung und einer Verarbeitungseinrichtung. Die Erfassungseinrichtung ist dazu ausgelegt, ein Signal mit einer ersten Abtastrate in einem ersten Zeitraster zu erfassen. Die Differenzier- Einrichtung ist dazu ausgelegt, das erfasste Signal zu differenzieren und in einem zweiten Zeitraster auszugeben. Dabei kann die Differenzier- Einrichtung das erfasste Signal in dem ersten Zeitraster differenzieren. Die Verarbeitungseinrichtung ist dazu ausgelegt, das differenzierte Signal anschließend in dem zweiten Zeitraster zu verarbeiten. Dabei sind die zeitlichen Abstände zwischen zwei Signalen in dem ersten Zeitraster kleiner als die zeitlichen Abstände zweier Signale in dem zweiten Zeitraster. Bei dem Signal kann es sich zum Beispiel um ein Winkelsignal handeln. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung eines Signals mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 7. Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung eines Signals mit den Schritten des Erfassens eines Signals mit einer ersten Abtastrate in einem ersten Zeitraster; und des Differenzierens des erfassten Signals. Das Signal kann dabei in dem ersten Zeitraster differenziert werden. Ferner umfasst das Verfahren die Schritte des Ausgebens des differenzierten Signals in einem zweiten Zeitraster und des Verarbeitens des ausgegebenen differenzierten Signals in dem zweiten Zeitraster. Die zeitlichen Abstände zweier Signalwerte in dem ersten Zeitraster sind dabei kleiner als die zeitlichen

Abstände zweier aufeinanderfolgenden Signalwerte in dem zweiten Zeitraster. Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei der Verarbeitung von Signalen, insbesondere bei der Filterung der Signale, wie zum Beispiele

Winkelsignale von einem Winkellageber, diese Verarbeitung gleichzeitig mit einem Übergang des Rechenrasters zu kombinieren. Hierzu werden die Signale in dem ursprünglichen Zeitraster erfasst, in dem die Signale zunächst bereitgestellt worden sind. Dieses Zeitraster kann beispielsweise durch die Bauelemente für die Beschaltung bzw. die Auswertung der Signale aus einem Winkelsignalgeber vorgegeben sein. Insbesondere können derartige

Bauelemente, wie zum Beispiel integrierte Schaltungen oder ähnliches, nur für ein ganz bestimmtes Abtastraster oder einen vorbestimmten Bereich für ein Abtastraster spezifiziert sein. Soll die weitere Signalverarbeitung, wie zum Beispiel die Regelung eines rotatorischen Systems, insbesondere eines elektrischen Antriebs oder ähnlichem, jedoch in einem davon abweichenden Zeitraster erfolgen, so kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Übergang von dem ersten Zeitraster, in dem die Signale bereitgestellt werden, in das zweite Zeitraster, mit dem die Signale weiterverarbeitet werden sollen, im Zuge der Verarbeitung der Signale erfolgen. Eine solche Verarbeitung der Signale kann beispielsweise eine Filterung der Rohsignale sein. Somit kann durch die Filterung der Rohsignale gleichzeitig ein Übergang des Zeitrasters erfolgen. Für den zuverlässigen Übergang des Rechenrasters muss die Eingangsgröße dabei nicht zwingend signifikant schneller abgetastet werden, als es das

Zeitraster der Ausgangsgröße erfordert. Es sollte lediglich sichergestellt sein, dass zwischen zwei Zeitpunkten des zweiten Zeitrasters mindestens eine Aktualisierung der Eingangsgröße stattgefunden hat.

Ferner muss die Eingangsgröße nicht mit äquidistanter Schrittweite abgetastet werden. Variable Schrittweiten sind darüber hinaus ebenso möglich, sofern die Schrittweite bekannt ist.

Da der dynamische Anteil der Verarbeitung der Signale nach dem Übergang des Rechenrasters mit einer konstanten Abtastschrittweite verarbeitet wird, können Ansätze einer linearen, zeitdiskreten Regelungstechnik angewendet werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Verarbeitungseinrichtung ein PT1- Glied. PT-Glieder höherer Ordnung sind darüber hinaus ebenso möglich. Ferner sind ebenfalls weitere dynamische Verarbeitungen der Signale nach dem

Übergang des Rechenrasters möglich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Differenzier- Einrichtung dazu ausgelegt, einen Wert eines von der Erfassungseinrichtung erfassten Signals von einem Wert zu subtrahieren, der von der Erfassungseinrichtung zuvor erfasst worden ist. Ferner kann die Differenzier- Einrichtung diese Differenz durch die Differenz der zeitlichen Abstände der beiden erfassten Signale dividieren. Die so berechnete Winkeländerung kann für die Weiterverarbeitung und die Anpassung des Zeitrasters weiterverwendet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Differenzier- Einrichtung dazu ausgelegt, das differenzierte Signal in einem zweiten Zeitraster in die

Verarbeitungseinrichtung auszugeben. Die differenzierten Signale werden somit für die Weiterverarbeitung auf das erforderliche Zeitraster angepasst.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das erste Abtastraster variabel. In diesem Fall müssen die variablen Zeitabstände an der Differenzier- Einrichtung bereitgestellt werden, um eine korrekte Differenzierung der Signale ausführen zu können. Alternativ kann das von der Erfassungseinrichtung erfasste Signal auch in einem vorbestimmten konstanten Zeitraster erfasst werden. In diesem Fall reicht die Kenntnis des vorbestimmten Zeitrasters für die Differenzierung der Signalwerte.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt zum Verarbeiten des differenzierten Signals in dem Verfahren zur Verarbeitung des Signals eine Tiefpassfilterung. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere

Verarbeitungsschritte, insbesondere beliebige Filterschritte für die Verarbeitung des Signals möglich. Insbesondere sind Verarbeitungsschritte möglich, die ein fest vorgegebenes Zeitraster erfordern.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein

Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem Drehwinkelsensor und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verarbeitung eines Signals. Die elektrische Maschine ist dabei mit einer Antriebswelle gekoppelt. Ferner ist der Drehwinkelsensor mit der Antriebswelle gekoppelt. Der Drehwinkelsensor ist darüber hinaus dazu ausgelegt, ein zu der Winkellage der Antriebswelle korrespondierendes Signal bereitzustellen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Drehwinkelsensor 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 Verarbeitung eines Signals 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 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 Winkelgeber oder sogenannte und Resolver möglich. In einem Resolver sind in der Regel in einem Gehäuse zwei um 90° elektrisch versetzte Sensorwicklungen angeordnet. Grundsätzlich sind verschiedene Alternativen zur Ermittlung der Winkellage möglich, von denen nachfolgend exemplarisch eine Möglichkeit beschrieben wird. Beispielsweise kann eine weitere Erregerwicklung des Resolvers mit einer sinusförmigen

Wechselspannung angeregt werden. Die Amplituden der in den beiden

Sensorwicklungen des Resolvers 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 Sensorwicklungen des Resolvers berechnet werden.

Darüber hinaus kann die Winkellage des Rotors auch durch beliebige weitere Rotorlagesensoren erfasst und bereitgestellt werden. Beispielsweise sind auch Lagesensoren unter Verwendung eines Wirbelstroms oder digitale Lagesignale möglich.

Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf Winkelsignale von einem

Winkellagegeber beschränkt, sondern kann auch auf beliebige weitere Signale insbesondere auf weitere Winkelbasierte Signale angewendet werden.

Grundsätzlich ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips auf beliebige

Signalverläufe möglich, die in einem ersten Zeitraster bereitgestellt bzw. erfasst werden und anschließend in einem zweiten, vorbestimmten Zeitraster weiterverarbeitet werden sollen. Die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf Winkelsignale stellt daher keine Einschränkung dar, sondern soll nur dem besseren Verständnis der Erfindung dienen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines Signalverlaufs. Zunächst wird ein

Signalverlauf, beispielsweise ein Signalverlauf eines Winkelsignals von einer Erfassungseinrichtung 10 erfasst. Die Erfassung dieses Signalverlaufs erfolgt dabei in einer ersten Abtastrate gemäß einem ersten Zeitraster. Beispielsweise kann es sich bei der Erfassungseinrichtung 10 um einen Analog-Digital-Wandler handeln, der ein kontinuierliches Eingangssignal zu Zeitpunkten gemäß des ersten Zeitrasters abtastet und diese abgetasteten Signalwerte in digitale Signalwerte konvertiert. Bei dem ersten Zeitraster kann es sich dabei beispielsweise um ein festes Zeitraster mit fest vorbestimmten Zeitintervallen zwischen den einzelnen Abtastzeitpunkten handeln. Darüber hinaus ist es auch möglich, das erste Zeitraster zu variieren, das heißt die zeitlichen Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen des Eingangssignals zu verändern. Die Anpassung des ersten Zeitrasters kann dabei beispielsweise von einer externen Steuervorrichtung (nicht dargestellt) vorgegeben werden. Die Randbedingungen für die Wahl des ersten Zeitrasters in Bezug auf das zweite Zeitraster für die nachfolgend näher erläuterte Weiterverarbeitung werden weiter unten noch näher erläutert. Die abgetasteten Signalwerte u(tk) werden daraufhin gemeinsam mit den Zeitpunkten t _k der Abtastung einer Differenzier- Einrichtung

20 bereitgestellt. Die Differenzier- Einrichtung 20 empfängt die abgetasteten Signalwerte u(tk). Gegebenenfalls kann die Differenzier- Einrichtung 20 dabei eine vorgegebene Anzahl von abgetasteten Signalwerten u(tk) speichern. Auf diese Weise kann die Differenzier- Einrichtung 20 auch auf voraufgegangene abgetastete Signalwerte u(t _k ) zurückgreifen. Beispielsweise kann eine vorbestimmte Anzahl von abgetasteten Signalwerten u(tk) in einem zyklischen Speicher zwischengespeichert werden. Aber auch jede beliebige andere Art zum Zwischenspeichern von Signalwerten ist darüber hinaus möglich. Werden die Signalwerte u(t) am Eingang der Eingangseinrichtung 10 mit einer fest vorgegebenen Abtastrate abgetastet, so kann die Differenzier- Einrichtung 20 unter Kenntnis dieser fest vorgegebenen Abtastrate auch auf die zeitlichen Abstände der einzelnen erfassten Signalwerte u(t _k ) zurückschließen. In diesem Fall können die Zeitdifferenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden

abgetasteten Signalwerten fest in der Differenzier- Einrichtung 20 hinterlegt sein. Alternativ können insbesondere bei einem variablen Abtastraster für die

Abtastung des Eingangssignals an der Erfassungseinrichtung 10 auch die jeweiligen Zeitpunkte t _k , zu denen die Signalwerte u(tk) abgetastet worden sind, an die Differenzier- Einrichtung 20 übertragen werden. In diesem Fall können die Abtastzeitpunkte t _k zusammen mit den jeweiligen abgetasteten Signalwerten u(t _k ) zusammen in einem Speicher der Differenzier- Einrichtung 20 abgespeichert werden. Zum Differenzieren der abgetasteten Signalwerte kann die Differenzier- Einrichtung 20 dabei eine Differenz zweier abgetasteter Signalwerte bilden und diese Differenz durch die Differenz der Abtastzeitpunkte dividieren. Auf diese Weise berechnet die Differenzier- Einrichtung 20 einen vom Abtastzeitraster unabhängigen Differenzenquotienten.

Dieser Differenzenquotient kann anschließend in einem für die

Weiterverarbeitung in der Verarbeitungseinrichtung 30 erforderlichen zweiten Zeitraster an die Verarbeitungseinrichtung 30 weitergegeben werden. Die Eingangsgröße am Eingang der Erfassungsvorrichtung 10 muss dabei nicht signifikant schneller abgetastet werden als das zweite Zeitraster der

Verarbeitungseinrichtung 30. Vielmehr muss lediglich sichergestellt sein, dass zwischen zwei Zeitpunkten des zweiten Zeitrasters möglichst eine Aktualisierung, das heißt eine Abtastung durch die Erfassungseinrichtung 10 erfolgt.

Nach dem Übergang des in der Differenzier- Einrichtung 20 gebildeten

Differenzenquotients in das zweite Zeitraster der Verarbeitungseinrichtung 30 erfolgt dabei die Weiterverarbeitung des Differenzenquotienten in dem zweiten Zeitraster der Verarbeitungseinrichtung 30. Diese Weiterverarbeitung des Differenzenquotienten durch die Verarbeitungseinrichtung 30 kann

beispielsweise eine Filterung, insbesondere eine Tiefpassfilterung umfassen. Beispielsweise kann die Verarbeitungseinrichtung 30 ein PTn-Glied für die Filterung des Winkelsignals umfassen. Aber auch beliebige andere

Verarbeitungsschritte für die Filterung des Winkelsignals, insbesondere des Differenzenquotienten des Winkelsignals sind darüber hinaus ebenso möglich.

Da die Ausgabe des Differenzenquotienten aus der Differenzier- Einrichtung 20 mit der konstanten Schrittweite des zweiten Zeitrasters erfolgt, können für die Weiterverarbeitung beliebige Ansätze einer linearen, zeitdiskreten

Regelungstechnik angewendet werden.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Verarbeitung eines Winkelsignals, wie es einer Ausführungsform zugrunde liegt. In einem ersten Schritt Sl wird zunächst ein Winkelsignal mit einer ersten Abtastrate in einem ersten Zeitraster erfasst. Anschließend wird in Schritt S2 das erfasste Winkelsignal in dem ersten Zeitraster differenziert. Hierzu wird, wie bereits oben beschrieben, der Differenzenquotient von Winkelsignal und Abtastzeitpunkten gebildet.

In Schritt S3 wird das differenzierte Winkelsignal in einem zweiten Zeitraster ausgegeben und in Schritt S4 das ausgegebene differenzierte Winkelsignal, das heißt der Differenzenquotient des Winkelsignals in dem zweiten Zeitraster verarbeitet.

Wie bereits zuvor beschrieben, sollte dabei sichergestellt sein, dass zwischen zwei Zeitpunkten in dem Rechenraster der Verarbeitung des

Differenzenquotienten mindestens eine Aktualisierung des abgetasteten

Winkelsignals erfolgt.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Signalverarbeitung von Signalen mit einer gleichzeitigen Konvertierung des Bearbeitungszeitrasters. Ein

Signal wird hierzu in einem ersten Zeitraster erfasst bzw. bereitgestellt. Nach Bildung des Differenzenquotienten in dem ersten Zeitraster erfolgt eine Ausgabe des Differenzenquotienten in einem zweiten Zeitraster, in dem die

Weiterverarbeitung des Signals, insbesondere des Differenzenquotienten erfolgt. Die Signalverarbeitug kann insbesondere auf Winkelsignale angewendet werden.