Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rotorlagediagnose in einem elektromotorischen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs.

Zur Messung und Steuerung, insbesondere zur elektronischen Kommutierung, elektromotorischer Antriebe, ist die Kenntnis der absoluten Winkellage des Rotors, die Rotorlage, erforderlich. Die Rotorlage kann mithilfe geeigneter Sensoren, wie z. B. absolut oder inkremental auflösende Drehgeber, erfasst werden.

Aus der DE 102 50 319 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Rotorlage einer elektrischen Maschine bekannt. Wie dort anhand der Figuren 6 und 7 beschrieben wird, wird eine Sensoreinheit verwendet, die mehrere magnetoresistive Sensorelemente aufweist, welche zu zwei Wheatstone-Brücken verschaltet sind. Jede Brücke liefer sinusförmige Messsignale, wobei die Messsignale der eine Brücke um 90 Grad phasenverschoben zu den Messignalen der anderen Brücke sind. Daher wird die eine Brücke als Sinus-Brücke und die andere Brücke als Kosinus-Brücke bezeichnet. Als Sensorelemente werden insbesondere AMR- (Anisotrope Magneto Resistance") oder GMR- (Giant Magneto Resistance") Elemente verwendet. Es ist im Bereich der Sensorik bekannt, auch weiterentwickelte magneto-resistive Sensorelemente, wie z.B. TMR-Sensoren (Tunnel Magneto-Resistance) einzusetzen. Die von der Sensoreinheit erzeugten Messsignale stellen also Sinus- und Kosinus-Signale dar, die üblicherweise differenziert werden. Somit sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rotorlagebestimmung in einem elektromotorischen Antrieb bekannt, wobei zur Bestimmung der Rotorlage eine an dem Rotor oder an einer damit verbundenen Welle angeordnete Sensoreinheit vorgesehen ist, die mehrere magnetoresistive Sensorelemente (z.B. GMR) aufweist, die miteinander verschaltet sind, um mindestens zwei als Vollbrücken dienende Messbrückenschaltungen zu bilden, wobei die Vollbrücken mindestens zwei zueinander phasenverschobene Messsignale (cos, sin) für eine Signalverarbeitung liefern. Im Fall von zwei Vollbrücken bzw. vier Halbbrücken werden vier Messignale erzeugt, die üblicherweise einer Differenzierung unterzogen werden. Das bedeutet, dass durch Signalaufbereitung aus jeweils zwei Halbbrückensignalen (z.B. cos1 und cos2) ein einziges Signal (cos#l) gebildet wird (z.B. cos# = cos1 - cos2; siehe auch Fig. 1 )Durch die Differenzierung, z.B. mit Hilfe von Operations- Verstärkern, können zwar hohe Amplituden erzielt werden, die gut für eine nachfolgende Analog-Digital- Wandlung und/oder zur Verarbeitung in einem ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) geeignet sind; allerdings wird nur eine Rotorlagebestimmung sowie einfache Radiusdiagnose ermöglicht. Eine Rotorlagediagnose, die auch eine eindeutige und rechtzeitige Fehlererkennung ermöglicht, ist nicht durchführbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und Vorrichtung zur Rotorlagediagnose bereitzustellen, die eine eindeutige und rechtzeitige Fehlererkennung ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.

Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass durch die Differenzierung eine eindeutige und rechtzeitige Fehlerdiagnose, z.B. mittels Radius-Diagnose, erschwert oder gar unmöglich gemacht wird, was anhand der beiliegenden Figuren 1 -3 erläutert wird:

Die Fig. 1 zeigt eine übliche Anordnung von zwei als Vollbrücken VB und VB' ausgebildete Messbrückenschaltungen, wobei jede Vollbrücke vier magnetoresistive Sensorelemente TMR aufweist, hier in Form von jeweils vier TMR- Sensorelemente. Außerdem zeigt die Fig. 1 den Verlauf der erzeugten Sensorsignale über die Rotation eines Magneten, also den winkelabhängige Signalverläufe. Die beiden Halbbrücken H1 und H2 der ersten (oberen) Vollbrücke VB liefern zwei Kosinus-Halbbrückensignale cos1 und cos2. Die beiden Halbbrücken der zweiten (unteren) Vollbrücke VB' liefern zwei Sinus- Halbbrückensignale sin ' und sin2'. Ausgehend von der Sensorik (Bereich I) wird durch die übliche Differenzierung bzw. Signalaufbereitung für die Signalverarbeitung (Bereich II) für die erste Vollbrücke VB ein normiertes Kosinus-Signal cos# erzeugt und für die zweite Vollbrücke VB' ein normiertes Sinus-Signal sin# erzeugt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass somit jeweils zwei Halbbrücken- Signale verloren gehen und dies wiederum eine eindeutige und rechtzeitige Fehlererkennung über eine Radiusdiagnose erschwert. Denn in herkömmlichen Systemen können bestimmte Fehlerfälle nur mit Hilfe zusätzlicher Hardware-(HW) Patterns und/oder Software-(SW) Patterns erkannt werden. Die HW-Patterns erhält man z.B. durch Kurzschließen eines Halbbrückensignals gegen Masse (GND) oder gegen die Versorgungsspannung mittels Transistoren. Die SW-Patterns erhält man etwa im Fall von RPS (Rotor Position Sensor) durch z.B. eine Motormomenten- Reduktion nach einer bestimmten Vergleichslogik mit anschließender RPS- Signalbewertung.

Anhand der Fig. 2 wird die Radiusdiagnose nun erläutert: Wird das Sinus-Signal über dem Kosinus-Signal (siehe sin# und cos# in Fig. 1 ) aufgetragen, so ergibt sich aufgrund der Rotation des Magneten ein Signalkreis K (gestrichelte Darstellung) mit dem Radius R, welcher sich durch die folgende Kreisformel berechnet:

R = Vsin ² + cos ² . Der Radius kann z.B. auch im Rahmen der Anwendung des sog. Cordic-Algorithmus ermittelt werden. Im Idealfall sollte der Radius R konstant sein und sich auf einer Kreisbahn bewegen, die konzentrisch zum Nullpunkt liegt. Da sich jedoch die analogen Signale aufgrund der Sensoren, des Systems und durch Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Alterung...) sich leicht ändern, befindet sich der Radius R nicht immer auf der idealen Kreisbahn (gestrichelte Linie), sondern weicht etwas davon ab. Deshalb werden in der praktischen Anwendung Toleranzgrenzen vorgegeben, nämlich eine untere Grenze LL (low level) für den inneren Grenzkreis und eine obere Grenze HL (high level) für den äußeren Grenzkreis. Der Radius R sollte sich möglichst immer in diesem Toleranzbereich (Band) bewegen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird nun ausgehend von der eingangs erläuterten Erkenntnis, ein Verfahren zur Rotorlagediagnose in einem elektromotorischen Antrieb bereitgestellt, das effektiv und kostengünstig realisiert werden kann. Insbesondere wird eine Rotorlagediagnose ermöglicht, ohne auf die Hilfe von HW- Pattern und/oder SW-Pattern angewiesen zu sein. Des Weiteren wirdl eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Die Erfindung ist in allen Bereich der elektromotorischen Antriebe einsetzbar, insbesondere aber in elektromotorisch angetriebenen Lenksystemen für Fahrzeuge, d.h. in sogenannten elektrischen Hilfskraftlenksystemen.

Die Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs definiert.

Demnach werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rotorlagediagnose in einem elektromotorischen Antrieb so weiter entwickelt bzw. ergänzt, dass zur Erkennung von in den Messsignalen auftretenden Fehlern diejenigen zwei Halbbrückensignale, die von den beiden Halbbrücken derselben Vollbrücke (Sinus- Brücke oder Kosinus-Brücke) geliefert werden, in der Signalverarbeitung miteinander kombiniert und ausgewertet werden. Insbesondere werden die zwei Halbbrückensignale durch Summenbildung zu einem Summensignal kombiniert, vorzugsweise anhand einer der folgenden Formeln, um einen Offset-Wert zu bestimmen:

(cosP+cosN

( VI) I Für die Kosinus-Brücke: cosOFF = X * γ wobei: cosOFF der Offset-Wert ist; cosP das positive Halbbrückensignal ist; cosN das negative Halbbrückensignal ist; und X und Y Wichtungsfaktoren sind;

. _, (sinP+sinN)

Für die Sinus-Brücke: sinOFF = X *

Y

wobei: sinOFF der Offset-Wert ist; sinP das positive Halbbrückensignal ist; sinN das negative Halbbrückensignal ist; und X und Y Wichtungsfaktoren sind.

Vorzugsweise werden für beide Brücken die Offset-Werte cosOFF und sinOFF berechnet, wodurch dann eine komplexe Fehlererkennung durchgeführt werden kann, welche es ermöglicht, die Verschiebungen sowohl bezüglich der cos- Komponente wie auch der sin-Komponete, z.B. in der Kreisdarstellung, sofort zu erkennen.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Demnach werden als magnetoresistive Sensorelemente vorzugsweise TMR- Sensorelemente oder AMR-Sensorelemente verwendet. Insbesondere werden genau zwei als Vollbrücken dienende Messbrückenschaltungen gebildet, die mindestens zwei um 90 Grad zueinander phasenverschobene Messsignale (cos, sin) als Vollbrückensignale für die Signalverarbeitung liefern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die Sensoreinheit S auf sowie eine damit verbundene Signalverarbeitungseinheit, welche die Sensorsignale gemäß dem Verfahren verarbeitet.

Die Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile werden nachfolgend im Detail anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die Figuren zeigen folgende schematische Darstellungen: Fig. 1 veranschaulicht den an sich bekannten Aufbau einer Sensoreinheit mit zwei Vollbrücken und die davon erzeugten Sensorsignale;

Fig. 2 veranschaulicht Bedeutung und Zweck einer Radiusdiagnose;

Fig. 3 veranschaulicht das Problem eines auftretenden Off set- Fehlers; und

Fig. 4 veranschaulicht die erfindungsgemäße Kombination von

Halbbrückensignalen zur Bestimmung eines Offset-Wertes.

Ausgehend von den Figuren 1 und 2, die oben schon beschrieben wurden und die erfindungsgemäße Erkenntnis erläutern, dass die üblicherweise durchgeführte Differenzierung eine eindeutige und rechtzeitige Fehlererkennung, z.B. mittels Radiusdiagnose, erschwert, wird nun anhand der Figur 3 dieses Defizit weiter erläutert.

In der Fig. 3 ist neben dem bereits beschriebenen Idealkreis K (vergl. auch Fig. 2) ein verschobener Signalkreis K ^* eingezeichnet, der sich im folgenden Fehlerfall ergeben kann:

Das in der Fig. 3 dargestellte Verhalten kann z.B. auftreten, wenn sich ein Halbbrücken-Signal im Offset ändert, was z.B. aufgrund eines Nebenschlusses nach der Versorgungsspannung oder vom Mess- bzw. Sensorelement selbst kommend auftreten kann. Die Punkte A und B, bei dem der Scheitelpunkt die obere Grenze HL des Toleranzbandes schneidet.

Durch die Erfindung werden nun die jeweiligen Halbbrücken-Signale, z.B. von den

Halbbrücken HB1 und HB2 der oberen Vollbrücke VB (also hier die Kosinus-Brücke in Fig. 1 ), miteinander verglichen bzw. verrechnet:

(cosP+cosN)

cosOFF = X *

Dabei entspricht cosOFF dem Offset-Wert ist. Und cosP ist das positive Halbbrückensignal; cosN ist das negative Halbbrückensignal. Die Werte X und Y können variabel sein und z.B. jeweils den Wert„1 " haben.

Wenn nun ein Offset-Fehler (s. Fig. 3) auftreten sollte, so kann dies früher erkannt werden. Es müssen keine HW-Patterns oder SW-Patterns ermittelt und ausgewertet werden, wie dies der Fall wäre, wenn nur differenzierte Signalen allein verfügbar wären.

Die Figur 4 veranschaulicht die vorteilhafte Methodik der Erfindung:

Links in der Figur ist beispielhaft der Verlauf der beiden Halbbrücken-Signale cosP (=cos+) und cosN (=cos-) dargestellt. Die gestrichelte Linie soll anzeigen, dass ein Fehler OFF in Form eines Offsetdrifts auftritt. Durch die Kombination (hier Summierung) der beiden Halbbrücken-Signale cosP und cosN und evtl. Wichtung (X und Y) wird sofort der aktuelle Offset-Wert cosOFF berechnet. In der zweiten Darstellung der Fig. 4 wird dies anhand der gestrichelten Linie dargestellt, wobei zu sehen ist, dass der Fehler OFF über den gesamten Winkelbereich von 0-360 Grad konstant ist. In der dritten Darstellung, welche als Kreisdarstellung gezeichnet ist, macht sicher der Fehler im Normkreis als eine Verschiebung der cos-Komponente bemerkbar. Ein Fehler in der sin-Komponente könnte ebenfalss schnell anhand einer entsprechenden Summenbildung der anderen Halbbrücken-Signale sinP und sinN festgestellt werden (sinOFF = sinP + sinN), wobei ebenfalls evtl. Wichtungsfaktoren berücksichtigt werden können.

Mit Hilfe der hier vorgeschlagenen Erfindung kann die bislang übliche Radiusdiagnose um eine wie oben beschriebene Offsetdiagnose erweitert werden. Hierdurch können dann auch spezifische Fehlerfälle, wie oben dargelegt wurde, sofort und zuverlässig erkannt werden. Die Erfindung kann in Diagnose und Steuerungseinheiten für jede Art von elektrischen Antrieben eingesetzt werden, bei denen eine Sensorik, wie z.B. TRM-Sensorik, Sinus- und Kosinus-Signale als Messsignale für die Lage und Bewegung des Rotors ermittelt. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Automotive-Bereich und hier insbesondere die Ansteuerung von elektrischen Antrieben in Hilfskraftlenkungen (Elektrolenkungen).