Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers, welcher eine erste Statorwicklung, eine zweite Statorwicklung und eine Rotorwicklung aufweist, wobei die Rotorwicklung drehfest mit der Welle verbunden und relativ zu den Statorwicklungen drehbar ist. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle, die einen Resolver umfasst.

Durch Benutzung sind Resolver bekannt, die ein zylindrisches Gehäuse, eine erste Statorwicklung, eine zweite Statorwicklung und einen Rotor mit einer Rotorwicklung aufweisen. Die Statorwicklungen sind versetzt zueinander, beispielsweise um 90°, angeordnet und umschließen den in dem Gehäuse gelagerten Rotor mit der Rotorwicklung. Die Rotorwicklung wird beispielsweise über Schleifringe und Bürsten nach außen geführt. Alternativ sind Resolver bürstenlos ausgeführt, wobei die Information des Rotors induktiv übertragen wird. Ein Resolver liefert innerhalb einer Umdrehung ein absolutes Winkelsignal, eine Referenzierung nach dem Einschalten ist somit nicht erforderlich.

Zur Erfassung eines Drehwinkels des Rotors wird die erste Statorwicklung mit einem ersten Statorsignal erregt. Die zweite Statorwicklung wird mit einem dazu phasenverschoben, beispielsweise um 90°, zweiten Statorsignal erregt. Die Phasenlage der in der Rotorwicklung induzierten Spannung hängt von der Stellung der Rotorwicklung ab. Wenn die Rotorwicklung genau gegenüber der ersten Statorwicklung steht, so entspricht die Phasenlage der Rotorspannung der Phasenlage des ersten Statorsignals. Wenn die Rotorwicklung genau gegenüber der zweiten Statorwicklung steht, so entspricht die Phasenlage der Rotorspannung der Phasenlage des zweiten Statorsignals. Steht die Rotorwicklung zwischen den Statorwicklungen, so ist die Phasenlage der Rotorspannung zu den Phasenlagen der Statorsignale verschoben. Während einer Umdrehung des Rotors liefert der Resolver ein Resolversignal mit der Phasenlage der Rotorspannung. Die Phasenlage des Resolversignals dreht sich dabei von 0° bis 360°. Die Phasenlage des Resolversignals ist somit ein Maß für den Drehwinkel des Rotors. Aus der DE 10 2017 012 027 A1 ist ein Verfahren zur drehgeberlosen Rotorlagebestimmung einer Drehfeldmaschine bekannt. Die Drehfeldmaschine wird dabei von einem Umrichter mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert.

Aus der DE 103 15 754 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Rotorlage oder Läuferlage von wechselrichtergespeisten Synchronmaschinen bekannt. An die Synchronmaschine ist dabei ein Inkrementalgeber gekuppelt.

Aus der DE 102009 032 095 A1 sind eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Winkelstellung bekannt.

Aus der DE 102019200 318 A1 ist eine Resolverschaltung zur Auswertung von Resolversignalen mit einem Resolver bekannt.

Aus der DE 102009 019 509 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle weiterzubilden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers, welcher eine erste Statorwicklung, eine zweite Statorwicklung und eine Rotorwicklung aufweist, wobei die Rotorwicklung drehfest mit der Welle verbunden und relativ zu den Statorwicklungen drehbar ist, wobei von einem Frequenzgenerator ein Erregersignal mit einer Erregerfrequenz erzeugt wird; der ersten Statorwicklung ein erstes Statorsignal mit der Erregerfrequenz zugeführt wird; der zweiten Statorwicklung ein zweites Statorsignal mit der Erregerfrequenz zugeführt wird; in der Rotorwicklung ein Resolversignal mit einer Resolverfrequenz induziert wird; von dem Resolver das Resolversignal ausgegeben wird; das Resolversignal einem Phasenschieber zugeführt wird, weicher ein erstes Korrelatorsignal mit der Resolverfrequenz und ein zu dem ersten Korrelatorsignal um 90° phasenverschobenes zweites Korrelatorsignal mit der Resolverfrequenz erzeugt; die Korrelatorsignale einem Korrelator zugeführt werden; von dem Korrelator ein Regelsignal erzeugt und ausgegeben wird; das Regelsignal einem Regler zugeführt wird; von dem Regler ein Ausgangssignal erzeugt und ausgegeben wird; das Ausgangssignal und das Erregersignal zu einem Stellsignal mit einer Stellfrequenz addiert werden; ein erstes Vergleichssignal mit der Stellfrequenz und ein zu dem ersten Vergleichssignal um 90° phasenverschobenes zweites Vergleichssignal mit der Stellfrequenz erzeugt und dem Korrelator zugeführt werden; wobei in dem Korrelator das erste Korrelatorsignal und das erste Vergleichssignal zu einem ersten Mischsignal multipliziert werden; das zweite Korrelatorsignal und das zweite Vergleichssignal zu einem zweiten Mischsignal multipliziert werden; das erste Mischsignal und das zweite Mischsignal zu dem Regelsignal summiert werden; und wobei von dem Regler das Ausgangssignal derart erzeugt wird, dass das Regelsignal auf null geregelt wird.

Eine Frequenz des Ausgangssignals entspricht einer Rotordrehzahl der Rotorwicklung sowie der Welle. Der Wert des Ausgangssignals entspricht dem Drehwinkel der Rotorwicklung sowie der Welle zwischen 0° und 360°. Der Regler regelt das Ausgangssignal verhältnismäßig schnell. Damit ist eine schnelle Erfassung des Drehwinkels der Welle möglich. Somit ist eine Erfassung des Drehwinkels der Welle auch bei verhältnismäßig hohen Rotordrehzahlen korrekt und ohne nennenswerte Verzögerung möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Statorwicklung um 90° versetzt zu der zweiten Statorwicklung angeordnet. Diese Bauweise ermöglicht eine genaue und wenig fehleranfällige Auswertung der Signale.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Statorsignal um 90° phasenverschoben zu dem zweiten Statorsignal. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine genaue und wenig fehleranfällige Auswertung der Signale.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Statorsignale, das Resolversignal, die Korrelatorsignale und die Vergleichssignale jeweils harmonische Wechselspannungen. Harmonische Wechselspannungen gestatten eine einfache Weiterverarbeitung mit bekannten analogen Auswerteschaltungen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Korrelatorsignal gleichphasig mit dem Resolversignal. Dadurch ist ein eindeutiger Bezug des Drehwinkels der Welle zu den Statorsignalen gegeben.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Phasenschieber als Hilbert- Transformator ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass ein Hilbert-Transformator zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders geeignet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Regler als I-Regler, also als integrierender Regler, ausgebildet. Ein integrierender Regler wirkt durch zeitliche Integration einer Regelabweichung auf eine Stellgröße mit einer Gewichtung durch eine Nachstellzeit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Erregersignal eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert, also ein digitales Sägezahnsignal.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausgangssignal eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert, also ein digitales Sägezahnsignal. Der Wert des Ausgangssignals entspricht dabei dem Drehwinkel der Rotorwicklung sowie der Welle zwischen 0° und 360° und ist daher verhältnismäßig einfach auswertbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellsignal eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert, also ein digitales Sägezahnsignal.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle, umfasst einen Resolver, welcher eine erste Statorwicklung, eine zweite Statorwicklung und eine Rotorwicklung aufweist, wobei die Rotorwicklung drehfest mit der Welle verbunden und relativ zu den Statorwicklungen drehbar ist, einen Frequenzgenerator zur Erzeugung eines Erregersignals mit einer Erregerfrequenz, einen Phasenschieber zur Erzeugung eines ersten Korrelatorsignals und eines zu dem ersten Korrelatorsignal um 90° phasenverschobenen zweiten Korrelatorsignals, einen Korrelator zur Erzeugung eines Regelsignals und einen Regler zur Erzeugung eines Ausgangssignals. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.

Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Abbildungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Es zeigt:

Figur 1 : eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle 17. Die besagte Vorrichtung umfasst unter anderem einen Resolver 10. Der Resolver 10 weist eine erste Statorwicklung 11 , eine zweite Statorwicklung 12 und eine Rotorwicklung 15 auf. Die Rotorwicklung 15 ist drehfest mit der Welle 17 verbunden und relativ zu den beiden Statorwicklungen 11, 12 drehbar. Die erste Statorwicklung 11 ist dabei, bezüglich der rotationssymmetrischen Welle 17, um 90° versetzt zu der zweiten Statorwicklung 12 angeordnet.

Die Vorrichtung umfasst ferner einen Frequenzgenerator 20 zur Erzeugung eines Erregersignals S20 mit einer Erregerfrequenz. Dem Frequenzgenerator 20 wird ein Eingangssignal S25 in Form einer Digitalzahl zugeführt. Der Frequenzgenerator 20 weist einen Hilfsaddierer 25 auf, welcher das Eingangssignal S25 und ein Hilfssignal S22 zu dem Erregersignal S20 addiert. Der Frequenzgenerator 20 weist einen Verzögerer 22 auf, welcher das Erregersignal S20 mit einer definierten zeitlichen Verzögerung als Hilfssignal S22 durchleitet. Das Hilfssignal S22 ist ebenfalls eine Digitalzahl. Von dem Frequenzgenerator 20 wird somit ein Erregersignal S20 mit der Erregerfrequenz erzeugt, wobei das Erregersignal S20 eine Digitalzahl ist, welche sich in Form eines Sägezahns ändert.

Die Vorrichtung umfasst auch eine Vorsignalgeneratoreinheit 70, welche einen ersten Vorsignalgenerator 71 und einen zweiten Vorsignalgenerator 72 aufweist. Das Erregersignal S20 wird den beiden Vorsignalgeneratoren 71 , 72 der Vorsignalgeneratoreinheit 70 zugeführt. Der erste Vorsignalgenerator 71 erzeugt daraus ein erstes Statorsignal S71 mit der Erregerfrequenz. Der zweite Vorsignalgenerator 72 erzeugt daraus ein zweites Statorsignal S72 mit der Erregerfrequenz.

Die Erzeugung der Statorsignale S71, S72 erfolgt mittels eines Verfahrens, welches als direkte digitale Synthese (DDS) bezeichnet wird. Die erzeugten Statorsignale S71 , S72 sind jeweils harmonische Wechselspannungen. Das erste Statorsignal S71 ist gleichphasig mit dem Erregersignal S20. Das zweite Statorsignal S72 ist zu dem ersten Statorsignal S71 sowie zu dem Erregersignal S20 um 90° phasenverschoben.

Der ersten Statorwicklung 11 wird das erste Statorsignal S71 mit der Erregerfrequenz zugeführt. Der zweiten Statorwicklung 12 wird das zweite Statorsignal S72 mit der Erregerfrequenz zugeführt. Durch die magnetische Kopplung zwischen den Statorwicklungen 11 , 12 und der Rotorwicklung 15 wird in der Rotorwicklung 15 eine Rotorspannung induziert, welche beispielsweise über Schleifringe in Form eines Resolversignals S10 nach außen geführt wird. In der Rotorwicklung 15 wird also das Resolversignal S10 mit einer Resolverfrequenz induziert. Das Resolversignal S10 wird von dem Resolver 10 ausgegeben. Das Resolversignal S10 ist eine harmonische Wechselspannung.

Die Phasenlage des Resolversignals S10 hängt von der Stellung der Rotorwicklung 15 ab. Wenn die Rotorwicklung 15 genau gegenüber der ersten Statorwicklung 11 steht, so entspricht die Phasenlage der Rotorspannung 15 der Phasenlage des ersten Statorsignals S71. Wenn die Rotorwicklung 15 genau gegenüber der zweiten Statorwicklung 12 steht, so entspricht die Phasenlage der Rotorspannung der Phasenlage des zweiten Statorsignals S72. Steht die Rotorwicklung 15 zwischen den Statorwicklungen 11 , 12, so ist die Phasenlage der Rotorspannung zu den Phasenlagen der Statorsignale S71 , S72 verschoben. Während einer Umdrehung der Welle 17 liefert der Resolver 10 also ein Resolversignal S10 mit der Phasenlage der Rotorspannung.

Die Vorrichtung umfasst ferner einen Phasenschieber 30 zur Erzeugung eines ersten Korrelatorsignals S31 und eines zu dem ersten Korrelatorsignal S31 um 90° phasenverschobenen zweiten Korrelatorsignals S32. Der Phasenschieber 30 ist beispielsweise als Hilbert-Transformator ausgebildet.

Das Resolversignal S10 wird dem Phasenschieber 30 zugeführt, welcher ein erstes Korrelatorsignal S31 mit der Resolverfrequenz und ein zu dem ersten Korrelatorsignal S31 um 90° phasenverschobenes zweites Korrelatorsignal S32 mit der Resolverfrequenz erzeugt. Die erzeugten Korrelatorsignale S31 , S32 sind jeweils harmonische Wechselspannungen. Das erste Korrelatorsignal S31 ist gleichphasig mit dem Resolversignal S10. Das zweite Korrelatorsignal S32 ist zu dem ersten Korrelatorsignal S31 sowie zu dem Resolversignal S10 um 90° phasenverschoben. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Korrelator 40 zur Erzeugung eines Regelsignals S40. Der Korrelator 40 weist einen ersten Multiplizierer 41, einen zweiten Multiplizierer 42 und einen Summierer 45 auf. Die Korrelatorsignale S31, S32 werden dem Korrelator 40 zugeführt. Von dem Korrelator 40 wird ein Regelsignal S40 erzeugt und ausgegeben. Das Regelsignal S40 ist eine zeitlich veränderliche Gleichspannung ohne feste Periode.

Die Vorrichtung umfasst ferner einen Regler 50 zur Erzeugung eines Ausgangssignals S50. Der Regler 50 ist als I-Regler, also als integrierender Regler, ausgebildet. Das Regelsignal S40 wird dem Regler 50 zugeführt. Von dem Regler 50 wird ein Ausgangssignal S50 erzeugt und ausgegeben. Das Ausgangssignal S50 wird dabei von dem Regler 50 derart erzeugt, dass das Regelsignal S40 auf null geregelt wird. Das Ausgangssignal S50 ist eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert.

Die Vorrichtung umfasst auch einen Hauptaddierer 60. Dem Hauptaddierer 60 werden das Erregersignal S20 und das Ausgangssignal S50 zugeführt. Das Ausgangssignal S50 und das Erregersignal S20 werden von dem Hauptaddierer 60 zu einem Stellsignal S60 mit einer Stellfrequenz addiert. Das Stellsignal S60 ist eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert.

Die Vorrichtung umfasst auch eine Hauptsignalgeneratoreinheit 80, welche einen ersten Hauptsignalgenerator 81 und einen zweiten Hauptsignalgenerator 82 aufweist. Das Stellsignal S60 wird den beiden Hauptsignalgeneratoren 81 , 82 der Hauptsignalgeneratoreinheit 80 zugeführt. Der erste Hauptsignalgenerator 81 erzeugt daraus ein erstes Vergleichssignal S81 mit der Stellfrequenz. Der zweite Hauptsignalgenerator 82 erzeugt daraus ein zweites Vergleichssignal S82 mit der Stellfrequenz.

Die Erzeugung der Vergleichssignale S81 , S82 erfolgt mittels eines Verfahrens, welches als direkte digitale Synthese (DDS) bezeichnet wird. Die erzeugten Vergleichssignale S81 , S82 sind jeweils harmonische Wechselspannungen. Das erste Vergleichssignal S81 ist gleichphasig mit dem Stellsignal S60. Das zweite Vergleichssignal S82 ist zu dem ersten Statorsignal S71 sowie zu dem Stellsignal S60 um 90° phasenverschoben.

Das erste Vergleichssignal S81 mit der Stellfrequenz und das zu dem ersten Vergleichssignal S81 um 90° phasenverschobene zweite Vergleichssignal S82 mit der Stellfrequenz werden dem Korrelator 40 zugeführt. ln dem Korrelator 40 werden das erste Korrelatorsignal S31 und das erste Vergleichssignal S81 von dem ersten Multiplizierer 41 zu einem ersten Mischsignal S41 multipliziert. In dem Korrelator 40 werden das zweite Korrelatorsignal S32 und das zweite Vergleichssignal S82 von dem zweiten Multiplizierer 42 zu einem zweiten Mischsignal S42 multipliziert. Das erste Mischsignal S41 und das zweite Mischsignal S42 werden von dem Summierer 45 zu dem Regelsignal S40 summiert.

Wenn das erste Vergleichssignal S81 um 90° zu dem ersten Korrelatorsignal S31 verschoben ist, so ist das erste Mischsignal S41 gleich null. Wenn das zweite Vergleichssignal S82 um 90° zu dem zweiten Korrelatorsignal S32 verschoben ist, so ist das zweite Mischsignal S42 gleich null. Wenn die beiden Mischsignale S41 , S42 gleich null sind, so ist auch das Regelsignal S40 gleich null.

Die Rotorwicklung 15 dreht sich zusammen mit der Welle 17 beispielsweise mit einer Rotordrehzahl von 100 Hz. Die Erregerfrequenz beträgt beispielsweise 50 kHz, ist also deutlich größer als die Rotordrehzahl.

Das Resolversignal S10 ist gegenüber dem ersten Statorsignal S71 um den jeweiligen Drehwinkel der Rotorwicklung 15 phasenverschoben. Wenn die Rotorwicklung 15 genau gegenüber der ersten Statorwicklung 11 steht, so beträgt die Phasenverschiebung 0°. Wenn die Rotorwicklung 15 genau gegenüber der zweiten Statorwicklung 12 steht, so beträgt die Phasenverschiebung 90°. Während einer Drehung der Rotorwicklung 15 ändert sich die Phasenverschiebung von 0° bis 360°. Die Phasenverschiebung des Resolversignals S10 gegenüber dem ersten Statorsignal S71 ist somit ein Maß für den Drehwinkel der Welle 17. Die Resolverfrequenz entspricht einer Summe aus der Erregerfrequenz und der Rotordrehzahl.

Das Ausgangssignal S50 ist eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert. Eine Frequenz des Ausgangssignals S50 entspricht der Rotordrehzahl. Der Wert des Ausgangssignals S50 entspricht dem Drehwinkel der Rotorwicklung 15 sowie der Welle 17 zwischen 0° und 360°.

Die Stellfrequenz entspricht einer Summe aus der Erregerfrequenz und der Frequenz des Ausgangssignals S50. Bezugszeichenliste

10 Resolver

11 erste Statorwicklung

12 zweite Statorwicklung

15 Rotorwicklung

17 Welle

20 Frequenzgenerator

22 Verzögerer

25 Hilfsaddierer

30 Phasenschieber

40 Korrelator

41 erster Multiplizierer

42 zweiter Multiplizierer

45 Summierer

50 Regler

60 Hauptaddierer

70 Vorsignalgeneratoreinheit

71 erster Vorsignalgenerator

72 zweiter Vorsignalgenerator

80 Hauptsignalgeneratoreinheit

81 erster Hauptsignalgenerator

82 zweiter Hauptsignalgenerator

S10 Resolversignal

S20 Erregersignal

S22 Hilfssignal

S25 Eingangssignal

531 erstes Korrelatorsignal

532 zweites Korrelatorsignal

540 Regelsignal

541 erstes Mischsignal S42 zweites Mischsignal

S50 Ausgangssignal

S60 Stellsignal

S71 erstes Statorsignal S72 zweites Statorsignal

581 erstes Vergleichssignal

582 zweites Vergleichssignal