CN107750325B - 用于对转角传感器的激励信号验证合理性的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明创建用于对激励信号验证合理性的设备和方法。设备被构造为具有：输入信号装置（12），其被设计用于，基于要验证合理性的激励信号（51）来提供输入信号（52）；振幅估计装置（14），其被设计用于，基于所提供的输入信号（52）来确定对于激励信号（51）的振幅的振幅估计值（53）；相位估计装置（16），其被设计用于，基于所提供的输入信号（52）来确定对于激励信号（51）的相位的相位估计值（54）；诊断装置（18），其被设计用于，至少基于所确定的振幅估计值（53）和所确定的相位估计值（54）来产生诊断信号（55）；和验证合理性装置（20），其被设计用于，基于所述诊断信号（55）根据所述诊断信号（55）的预先确定的值域来对激励信号（51）验证合理性。

Description

用于对转角传感器的激励信号验证合理性的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于对转角传感器的激励信号验证合理性（plausibilisieren）的设备和方法。本发明尤其涉及用于对分解器的激励信号验证合理性的设备和方法。

背景技术

电动车辆和混合动力车辆越来越重要。为了如其在这样的车辆中使用那样地调节永磁同步电机（PSM）和电励磁同步电机（ESM），需要对这样的机器的转子位置角的了解。此外，为了调节异步电机（ASM），需要对驱动装置的电气频率的了解。为了确定转子位置角或者电气频率，可以使用不同的传感器类型。例如，可以是基于涡流效应、分解器或者数字的角传感器信号的传感器。

在此，分解器例如利用正弦形的激励信号被激发。在此，通常获得被干扰的、振幅调制的电压作为分解器的接收器信号，由所述电压的包络可以获得关于转子位置的信息。典型地，使用具有十伏特的振幅和十千赫兹的正弦函数的频率的激励信号。

德国专利申请DE 10 2011 078 583 A1例如公开：对在车辆中的分解器-传感器信号的评估。为此，分解器记录转子的旋转运动，并且处理器元件处理分解器的正弦或余弦形的输出信号。

激励信号经由电力电子装置被提供给分解器。如果发生实际所提供的激励信号（Ist-Erregersignal（实际激励信号））与要提供的激励信号（Soll-Erregersignal（额定激励信号））的偏差，那么这可能在通过分解器确定转子位置角时导致误差。

因此，存在对于用于对转角传感器、尤其分解器的激励信号验证合理性的方法和设备的需求。

发明内容

为此，本发明创建具有专利权利要求1的特征的设备和具有专利权利要求6的特征的方法。

相应地，本发明提供以下设备，所述设备具有：输入信号提供装置，其被设计用于，基于要验证合理性的激励信号来提供输入信号；振幅估计装置，其被设计用于，基于所提供的输入信号来确定对于激励信号的振幅的振幅估计值；相位估计装置，其被设计用于，基于所提供的输入信号来确定对于激励信号的相位的相位估计值；诊断装置，其被设计用于，至少基于所确定的振幅估计值和所确定的相位估计值来生成诊断信号；和验证合理性装置，其被设计用于，基于诊断信号根据对于诊断信号的预先确定的值域来对激励信号验证合理性。

转角传感器尤其可以被设计用于确定同步电机的转子位置角。对激励信号验证合理性尤其可以被理解为将激励信号的值归入为合理的（plausibel）、也即归入为足够可信的、可接受的和/或足够准确的。例如可以规定：对于确定转子位置角来说，仅考虑分解器的已利用被归入为合理的激励信号所生成的这样的接收器信号。验证合理性可以包括输出如下信号，所述信号指示所确定的信号的合理性。

此外，本发明提供一种方法，所述方法具有如下步骤：基于要验证合理性的激励信号来提供输入信号；基于所提供的输入信号来确定对于激励信号的振幅的振幅估计值；基于所提供的输入信号来确定对于激励信号的相位的相位估计值；至少基于所确定的振幅估计值和所确定的相位估计值来生成诊断信号；并且基于诊断信号根据对于诊断信号的预先确定的值域来对激励信号验证合理性。

提供输入信号尤其可以包括：接收模拟的或数字的激励信号，或者对模拟的激励信号进行采样，用于生成数字的输入信号。

所述方法尤其可以连续地、例如每激励信号周期一次或每输入信号周期一次地被执行。

本发明的优点

本发明能够实现，以在技术上特别简单的方式来对转角传感器的激励信号验证合理性。激励信号例如可以具有在五和十五伏特之间的、尤其在八和十二伏特之间的、特别优选十伏特的振幅。通过对激励信号验证合理性，分解器的接收器信号可以在确定转角时被忽视，其中所述接收器信号基于非合理的激励信号。由此提高转角确定的可靠性、精度和准确性。如果不能准确地确定角度，那么可引入替代反应（Ersatzreaktion）、例如驱动的关断。

有利地，可以使用确定的振幅估计值用于对激励信号的振幅验证合理性。可以规定，只有当至少激励信号的振幅已经被归入为合理时，才将激励信号归入为合理。

从从属权利要求以及从参照附图的描述得出有利的实施方式和改进方案。

按照一种有利的改进方案，相位估计装置被设计用于，此外基于激励信号的要期望的周期持续时间、也即激励信号的周期持续时间的额定值，或者基于输入信号的周期持续时间来执行相位估计值的确定。因此，相位估计值是更准确的、也即更接近实际的相位。

按照另一有利的改进方案，相位估计装置被设计用于，确定输入信号的过零，并且此外基于输入信号的所确定的过零来执行相位估计值的确定。因此，相位估计值是更准确的。

按照另一有利的改进方案，激励信号（并且因此还有输入信号）是正弦形的或余弦形的信号。诊断装置可以具有计算单元，所述计算单元被设计用于，在使用确定的振幅估计值和确定的相位估计值的情况下，生成关于输入信号以九十度来移相的、但是在其他方面与输入信号相同的信号作为辅助信号。如果激励信号例如是正弦形的信号，则计算单元可以被设计用于，生成具有相同的频率和振幅的余弦形的信号作为辅助信号。如果激励信号例如是余弦形的信号，则计算单元可以被设计用于，生成正弦形的信号作为辅助信号。诊断装置可以被设计用于，基于输入信号的平方以及基于所生成的辅助信号的平方（例如所生成的余弦形的信号的平方或者可替代地所生成的正弦形的信号的平方）来生成诊断信号。因此，可以以小的技术上的耗费生成有效力的诊断信号。

按照另一有利的改进方案，诊断装置被设计用于，基于输入信号的平方与所生成的辅助信号（例如所生成的余弦形的或正弦形的信号）的平方的总和来生成诊断信号。因此，可以以小的技术上的耗费来生成有效力的诊断信号。

根据按照本发明的方法的一种有利的改进方案，相位估计值的确定此外基于激励信号的要期望的周期。按照另一有利的改进方案，相位估计值的确定包括对输入信号的过零的确定。相位估计值的确定可以基于输入信号的所确定的过零。

附图说明

接下来根据在附图的示意图中所示出的实施例进一步阐述本发明。其中：

图1示出按照本发明的一种实施方式的电驱动系统的示意性框图；

图2示出按照本发明的另一实施方式的、用于对转角传感器的激励信号验证合理性的设备的示意图；和

图3示出按照本发明的另一实施方式的、用于阐述用于对转角传感器的激励信号验证合理性的方法的示意性流程图。

在所有的图中（只要未另外说明），相同的或者功能相同的元件和设备配备有相同的附图标记。方法步骤的编号有助于一目了然，并且（只要未另外说明）尤其不应当暗示特定的时间顺序。尤其是，也可以同时执行多个方法步骤。

具体实施方式

图1示出按照一种实施方式的电驱动系统的示意性框图。由电能源5经由整流器4馈给电机3。例如，电能源5可以是电动车辆的牵引电池组。电机3例如可以是永磁同步电机、电励磁同步电机或者却也可以是异步电机。原则上，此外其他的电机也是可能的。在此，这里所示出的三相电机3的实施方式仅表示一个示例性的实施方式。此外，具有不同于三个的数量的相的电机也是可能的。整流器4转换由电能源5所提供的电能，并且提供经转换的电能用于操控电机3。在此，可以基于控制设备1的规定或者控制信号来操控电机3。此外，可以在电机3制动时，也将动力学能量通过电机3转换为电能，并且将所述电能经由整流器4馈入到能源5的电储能器中。

对于永磁同步电机或电励磁同步电机的调节，需要对在所述机器中的转子位置的了解。此外，对于异步电机的调节，需要对这样的机器的电气频率的了解。为此，电机3可以与转角传感器2耦合。例如，转角传感器2可以与电机3的驱动轴耦合。例如，基于涡流效应、数字的角传感器信号或所谓的分解器的传感器可以用于确定机器3的转子位置和/或电气频率。

在分解器中，通常在壳体中布置两个以90°来电移的（elektrisch versetzt）定子绕组，所述定子绕组包围具有转子绕组的、放置在壳体中的转子。原则上，用于确定角位置的不同的替代方案是可能的，接下来从所述不同替代方案中示范性地描述一种可能性。例如，可以用以正弦形的交流电压的形式的激励信号51来激励转子绕组。在此，在两个定子绕组中所感应的电压的振幅与转子的角位置有关，并且相应于转子的角位置的正弦和转子的角位置的余弦。因此，可以由两个定子绕组的包络信号的反正切来计算转子的角位置。

在此，可以在控制设备1中确定转子的角位置或者电气频率。控制设备1包括用于对转角传感器2的激励信号51验证合理性的、按照本发明的设备10（如其根据图2进一步被阐述那样）。

图2示出用于对转角传感器2的激励信号51验证合理性的设备10的示意图。设备10可以硬件式或者软件式地或者通过由硬件和软件的组合得以实现。

设备10包括输入信号装置12，其被设计用于，基于激励信号51来提供输入信号52。为此，激励信号51能够被施加给输入信号装置12或者能够由输入信号装置12量取。

激励信号51例如具有如下形式：

，

其中U_ExcAmp表示激励信号51的振幅，f_Exc表示激励信号的频率并且γ表示激励信号的相位。

输入信号装置12可以包括基于硬件的或基于软件的滤波单元，其被设计用于，对激励信号51滤波。此外，输入信号装置12可以包括模拟数字转换单元，其被设计用于，在时间点t_k采样经滤波的激励信号，以便生成

的结果作为输入信号52。通过模拟数字转换单元对激励信号51的采样的采样频率可以有利地适配于激励信号51的所力求的频率f_Exc，所述频率也可以被称作激励频率。例如，采样频率可以适配于激励频率的多倍、尤其至少五倍、优选地至少十倍。在通常的十千赫兹的激励频率情况下，例如可以选择一百千赫兹的采样频率。在该情况下，对于激励信号51的每周期，通过模拟数字转换单元检测十个采样值，并且对于激励信号51的每周期，生成具有10个离散值的输入信号52。

设备10的振幅估计装置14被设计用于，基于所生成的输入信号52来确定对于激励信号51的振幅U_ExcAmp的振幅估计值53。

例如，振幅估计装置14或者设备10具有最大值确定单元和最小值确定单元，其被设计用于，在预先确定的数量N个的、输入信号52的时间上在前的采样值之内确定最大值或者最小值。预先确定的数量N尤其可以被规定为激励信号51的每周期的采样值的数量、例如为十、也即N=10。振幅估计装置14或者设备10可以具有振幅计算单元，其被构造用于，计算在所确定的最大值和所确定的最小值之间的对分的差，并且作为对于激励信号51的振幅U_ExcAmp的振幅估计值53来输出。

换句话说，表示为

的振幅估计值53被确定为

，其中振幅估计值53的自变量 t_k意味着：振幅估计值53在时间点t_k适用。优选地，对于激励信号51或输入信号52的每周期，振幅估计值53被确定刚好一次。由此，可以以数值上更有效的方式来实施所述确定。为此，可以例如通过控制设备10来将关于激励信号51的周期的信息传送给振幅估计装置14。但是可替代地，也可以在每个采样时间点t_k确定振幅估计值53。也可以将对于每周期所确定的N个单个振幅估计值的平均值确定为振幅估计值53。

设备10可以包括振幅验证合理性装置，其被设计用于，基于所确定的振幅估计值53来对激励信号51的振幅验证合理性、也即如果所确定的振幅值53处于预先确定的振幅范围之内、尤其是处于预先确定的振幅阈值δ之下，那么将所述激励信号的振幅归入为合理的或者可接受的。预先确定的振幅阈值δ尤其是在考虑系统性估计误差的情况下被确定。也可设想使用用于确定振幅的其他方法，例如递归最小二乘估计。

此外，设备10包括相位估计装置16，其被设计用于，基于所提供的输入信号52来确定对于激励信号51的相位的γ的相位估计值54。

相位估计装置16、或者设备10为此具有过零确定单元，借助于所述过零确定单元能够确定输入信号52的真实的或内插的过零；并且具有直线计算单元，借助于所述直线计算单元可以计算直线。

为此，通过过零确定单元来确定时间点t_BZRE，在该时间点输入信号52是负的，并且接着所述时间点（在此之间没有其他的采样时间点t_k）是时间点t_BZRE+1，在该时间点输入信号52是正的，也即确定具有正斜率的过零。借助于直线计算单元，基于所确定的时间点t_BZRE来计算拟合直线G（t）为

。通过拟合直线G（t），激励信号52可以在过零处线性近似。可替代地，通过过零确定单元来确定时间点t_BZRE，在该时间点输入信号52是正的，并且接着所述时间点（在此之间没有其他的采样时间点t_k）是时间点t_BZRE+1，在该时间点输入信号52是负的、也即确定具有负斜率的过零。对具有正的斜率和具有负的斜率的过零的确定的组合也是可能的。

此外，相位估计装置被设计用于，根据激励信号51的过零的时间点t_ZC来分解拟合直线G（t），其中可以使用以下公式：

。

t_ZC或者其他函数的自变量t_k在这里、上文和下文中意味着：所确定的值（这里为t_ZC）是在时间点t_k时在时间上最后的（也即最新的）有效值。因此，t_ZC（t_k）是按照t_BZRE的定义的、相应的正的或负的过零的最后的在时间点t_k时有效的时间点。此外，可以例如通过控制设备1来提供激励信号51的一个周期的要期望的持续时间

给相位估计装置16。要期望的持续时间尤其可以是激励信号51的所述周期的为了激励分解器2所力求的持续时间。也可以通过相位估计装置16基于传送给相位估计装置16的激励频率来计算所述周期的持续时间。

此外，相位估计装置16被设计用于，将相位估计值54确定为基于激励信号51的过零的时间点的激励信号51的全部周期的一个分数（Bruchteil）。

如果相位估计值54（在时间点t_k有效）被表示为

，那么所述相位估计值可以通过相位估计装置16被确定为

。

此外，设备10包括诊断装置18，其被设计用于，至少基于所确定的振幅估计值53和所确定的相位估计值54来生成诊断信号55。

为此，诊断装置18可以具有计算单元，其被设计用于，在使用所确定的振幅估计值53和所确定的相位估计值54的情况下，生成余弦形的信号。余弦形的信号具有被表示为

的振幅估计值53作为振幅、激励信号51的激励频率f_Exc作为频率和被表示为

的相位估计值54作为相位。因此，如果余弦形的信号（在时间点t_k有效）被表示为

，那么所述余弦形的信号可以作为

被生成。鉴于诊断装置18的存储需求方面在数值上有利地，可以替代于通过调用余弦函数而通过将已经存储在设备10中的正弦函数的调用与π/2相加来生成余弦形的信号。

诊断装置18可以基于所生成的余弦形的信号并且基于所确定的正弦形的输入信号52来生成诊断信号55，尤其是作为由如下商数和数值一所构成的差来生成，所述商数的被除数是余弦形的信号的平方与正弦形的输入信号52的平方的总和，并且所述商数的除数是振幅估计值53的平方。

因此，可以生成被表示为

的诊断信号55（在时间点t_k有效）作为：

。

有利地，在对振幅和相位的正确的、也即恰好准确的估计的情况下、也即如果

并且如果

，那么诊断信号55恰好为零，正如通过使用和应用三角函数加法定理

可以证实的那样。

此外，设备10包括验证合理性装置20，其被设计用于，对激励信号51验证合理性、也即如果诊断信号55处于预先确定的值域中，那么所述激励信号被归入为正确的。验证合理性装置20可以被设计用于，输出验证合理性信号56，其指示：激励信号51在当前的（或者在先前的、相对于当前的时间点所规定的）时间点是否已经被归入为合理的。例如，如果激励信号51已经被归入为合理的，则验证合理性信号56可以是逻辑一，如果激励信号51通过验证合理性装置20不被归入为合理的、也即被归入为不合理的，则验证合理性信号可以是逻辑零。

验证合理性装置20尤其被设计用于，如果在时间点t_k的诊断信号55的值的绝对值（在该时间点处激励信号51应当被验证合理性）处于预先确定的诊断阈值σ之下、也即如果

，那么于是激励信号51最大地验证合理性。例如，如果在时间点t_k的诊断信号51的值的绝对值小于诊断阈值σ（

），那么恰好对在时间点t_k的激励信号51验证合理性，并且如果在时间点t_k的诊断信号51的值的绝对值大于或等于诊断阈值σ（

），则不验证合理性。

优选地，只有当不仅振幅估计值53处于预先确定的范围之内、例如处于振幅阈值之下，而且在时间点tk的诊断信号51的值的绝对值同时小于诊断阈值σ时，才对在时间点t_k的激励信号51验证合理性。

可以在考虑系统性估计误差的情况下在确定相位估计值54和振幅估计值53的情况下规定诊断阈值σ。可以使用固定的诊断阈值σ。可替代地，可以使用变化的诊断阈值σ、例如与振幅估计值53、尤其与振幅估计值53的平方相关的诊断阈值σ。

如果替代于之前所描述的诊断信号56，通过诊断装置18生成替代性的诊断信号56，作为

，那么这尤其是有利的，这由之前所描述的诊断信号与输入信号52的振幅估计值53的平方相乘得知。在使用可替代的诊断信号的情况下，尤其是结合与振幅估计值53相关的诊断阈值σ，可以在数值上有利地省去一个除法，由此诊断装置18可以较不复杂地被构造。

不仅是首先描述的诊断信号而且替代性的诊断信号不仅是对于激励信号51的正弦曲线形状的尺度，而且是对于激励信号51的实际上的频率的与力求的激励频率的偏差的尺度。因此，设备10也能够被表示为用于诊断激励信号的正弦曲线形状的设备，而且也能够被表示为用于诊断激励信号的频率偏差的设备。

图3示出用于阐述按照本发明的另一实施方式的、用于对转角传感器的激励信号验证合理性的方法的示意性流程图。按照图3的方法尤其能够利用按照图2的设备来实施，并且可以鉴于所有结合按照本发明的设备所描述的变型方案和改进方案方面被适配。

在步骤S01中，基于要验证合理性的激励信号51来提供输入信号52。在步骤S02中，基于所提供的输入信号52来确定对于激励信号51的振幅的振幅估计值53。在步骤S03中，基于所提供的输入信号52来确定对于激励信号51的相位的相位估计值54。

在步骤S04中，至少基于所确定的振幅估计值53和所确定的相位估计值54来生成诊断信号55。在步骤S05中，如果诊断信号55处于预先确定的值域中，那么对激励信号51验证合理性、也即归入为合理的。可选地，如果激励信号51被验证合理性，那么可以输出验证合理性信号56，所述信号指示，激励信号51已经被归入为合理的。

尽管本发明已经根据优选的实施例在上面被描述，但是其不应被限制于此，而是能够以多种多样的类型和方式被修改。尤其可以以多种多样的方式改变或修改本发明，而不偏离本发明的核心。

Claims (6)

1.用于对转角传感器的正弦或余弦形的激励信号（51）验证合理性的设备（10），所述设备具有：

输入信号装置（12），所述输入信号装置被设计用于，基于要验证合理性的所述激励信号（51）来提供输入信号（52）；

振幅估计装置（14），所述振幅估计装置被设计用于，基于所提供的所述输入信号（52）来确定对于所述激励信号（51）的振幅的振幅估计值（53）；

相位估计装置（16），所述相位估计装置被设计用于，基于所述所提供的输入信号（52）并且基于所述激励信号（51）的要期望的周期来确定对于所述激励信号（51）的相位的相位估计值（54）；

诊断装置（18），所述诊断装置（18）具有计算单元，所述计算单元被设计用于，在使用确定的所述振幅估计值（53）和确定的所述相位估计值（54）的情况下，生成关于所述输入信号（52）以九十度来移相的、在其他方面与所述输入信号（52）相同的辅助信号，其中所述诊断装置被设计用于，基于所述输入信号（52）的平方以及基于所生成的所述辅助信号的平方来生成诊断信号（55）；和

验证合理性装置（20），所述验证合理性装置被设计用于，基于所述诊断信号（55）并且根据对于所述诊断信号（55）的预先确定的值域来将所述激励信号（51）归入为合理的或不合理的。

2.按照权利要求1所述的设备（10），

其中所述相位估计装置（16）被设计用于，确定所述输入信号（52）的过零，并且此外基于所确定的、所述输入信号（52）的所述过零来执行对所述相位估计值（54）的所述确定（S03）。

3.按照权利要求1或2所述的设备，

其中所述诊断装置（18）被设计用于，基于所述输入信号（52）的平方与所生成的所述辅助信号的平方的总和来生成所述诊断信号（55）。

4.用于对转角传感器的正弦或余弦形的激励信号（51）验证合理性的方法，所述方法具有以下步骤：

基于要验证合理性的所述激励信号（51）来提供（S01）输入信号（52）；

基于所提供的所述输入信号（52）来确定（S02）对于所述激励信号（51）的振幅的振幅估计值（53）；

基于所提供的所述输入信号（52）并且基于所述激励信号（51）的要期望的周期来确定（S03）对于所述激励信号（51）的相位的相位估计值（54）；

在使用确定的所述振幅估计值（53）和确定的所述相位估计值（54）的情况下，生成关于所述输入信号（52）以九十度来移相的、在其他方面与所述输入信号（52）相同的辅助信号；

基于所述输入信号（52）的平方以及基于所生成的所述辅助信号的平方来生成（S04）诊断信号（55）；和

基于所述诊断信号（55）并且根据所述诊断信号（55）的预先确定的值域来将所述激励信号（51）归入（S05）为合理的或不合理的。

5.按照权利要求4所述的方法，

其中对所述相位估计值（54）的所述确定（S03）包括对所述输入信号（52）的过零的确定；并且其中对所述相位估计值（54）的所述确定（S03）此外基于所述输入信号（52）的所确定的所述过零。

6.按照权利要求4或5所述的方法，

其中所述诊断信号（55）基于所述输入信号（52）的平方与所生成的所述辅助信号的平方的总和。

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