DE10054530A1 - Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer drehbaren Welle und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer drehbaren Welle und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Abstract
Die Winkellage einer Welle, beispielsweise die Lage der Welle eines bürstenlosen Motors, läßt sich mit als Hallsensoren ausgebildeten Sensoren und mit einer mit der Welle mitbewegten und mehrere Magnetpole als Geber aufweisenden Geberanordnung ermitteln. Dabei wird die aus der Drehung der Welle resultierende Änderung des Magnetfelds der Geberanordnung mit den Sensoren erfaßt und zur Ermittlung der Winkellage der Welle ausgewertet. Die Genauigkeit, mit der die Winkellage ermittelt wird, ist jedoch gering. Das neue Verfahren soll die Ermittlung der Winkellage der Welle mit hoher Genauigkeit ermöglichen. DOLLAR A Hierzu wird zunächst eine Referenzmessung vorgenommen, bei der die den tatsächlichen Sensorpositionen und die den tatsächlichen Breiten der Geber entsprechenden Winkelabstände aus von den Sensoren abgegebenen Sensorsignalen berechnet werden. Aus diesen Winkelabständen wird dann die Winkellage der Welle zu bestimmten Zeitpunkten ermittelt. DOLLAR A Steuerung von elektronisch kommutierten Motoren.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer drehbaren
Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 4.
Aus der DE 43 07 337 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer Welle
bekannt, das zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors
verwendet wird. Ein derartiger bürstenloser Gleichstrommotor umfaßt üblicherweise
einen mit einer Welle fest verbundenen und mit Permanentmagneten bestückten
Rotor sowie einen Stator mit mehreren Elektromagneten, die durch einen Kommu
tierungsvorgang in Abhängigkeit der Winkellage des Rotors bestromt werden und
durch ihr Magnetfeld den Rotor antreiben. Der vorbekannte Gleichstrommotor weist
ferner als Hallsensoren ausgeführte Sensoren auf, die das Magnetfeld der als Ge
beranordnung wirkenden Permanentmagnete detektieren und entsprechende De
tektorsignale erzeugen. Aus den Detektorsignalen wird dann die Winkellage des
Rotors oder der Welle ermittelt.
Als nachteilig erweist sich hierbei, daß Fertigungstoleranzen bei der Positionierung
der Sensoren, ungleiche Aufteilung der Magnetpole auf dem Rotor und Schalthyste
resen der Sensoren zu hohen Meßfehlern führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Winkella
ge einer Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das mit
geringem Kostenaufwand durchführbar ist und genaue Meßwerte liefert. Der Erfin
dung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch die Merk
male des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun
gen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird die Winkellage einer Welle mit einer Geberanordnung und mit
mehreren voneinander beabstandeten Sensoren ermittelt, wobei die Geberanord
nung eine vorgegebene Anzahl von Gebern aufweist, die bei sich drehender Welle
relativ zu Sensoren bewegt werden, und wobei mit den Sensoren Zeitpunkte als
Detektionszeitpunkte ermittelt werden, zu denen die Grenzen der Geber oder die
Grenzübergänge zwischen benachbarten Gebern an den Sensoren vorbeibewegt
werden. Wesentlich ist, daß bei sich drehender Welle eine Referenzmessung vorge
nommen wird, bei der aus den ermittelten Detektionszeitpunkten Winkelabstände
ermittelt werden, die dem Versatz der Sensoren entsprechen, sowie Winkelabstände
ermittelt werden, die den Abständen zwischen den Grenzen oder Grenzübergängen
der Geber entsprechen. Das heißt, es werden die tatsächlichen Winkellagen der
Sensoren bezogen auf einen der Sensoren sowie die tatsächlichen den Breiten der
Geber und dem Winkelversatz zwischen benachbarten Gebern entsprechenden Win
kel berechnet. Aus den ermittelten Winkelabständen werden dann die Winkelposi
tionen der Welle zu den einer Wellenumdrehung entsprechenden Detektionszeit
punkten als Winkellage der Welle berechnet.
Vorteilhafterweise werden die während der Referenzmessung berechneten Winkel
positionen in einer Tabelle abgespeichert. Die abgespeicherten Winkelpositionen
werden dann entsprechend ihrer Reihenfolge zyklisch jeweils einem der nachfol
gend, d. h. nach der Durchführung der Referenzmessung, ermittelten Detektions
zeitpunkte als Winkellage der Welle zugeordnet. Vorzugsweise wird für jede Dreh
richtung der Welle eine Referenzmessung vorgenommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:
- - Fehler, die durch mechanische Fertigungstoleranzen bedingt sind oder aus nicht idealem Verhalten der Sensoren resultieren, werden auf einfache Weise kom pensiert.
- - Die genaue Kenntnis der Detektionszeitpunkte und der zugehörigen Winkellagen der Welle ermöglicht eine präzise Erfassung der Drehzahl der Welle.
- - Durch Extrapolation ist es zudem möglich, auch die genaue Winkellage der Welle zu zwischen den Detektionszeitpunkten liegenden Zeitpunkten zu ermitteln.
- - Das Verfahren ist mit einer kostengünstig herstellbaren Vorrichtung durchführ bar. Eine derartige Vorrichtung umfaßt eine als Magnetanordnung ausgebildete Geberanordnung mit einer der Anzahl der Geber entsprechenden Anzahl von Magnetpolen sowie mehrere als Magnetfelddetektoren ausgebildete Sensoren, wobei die Magnetanordnung vorzugsweise mindestens einen als Permanentma gneten ausgebildeten Magneten aufweist und wobei die Magnetfelddetektoren vorzugsweise als Hallsensoren, vorteilhafterweise als digitale Hallsensoren aus gebildet sind.
- - Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die Steuerung elektro nisch kommutierter (bürstenloser) Motoren. Für die Steuerung eines derartigen, einen Stator und einen Rotor aufweisenden Motors ist die genaue Kenntnis der Winkellage des Rotors erforderlich. Diese Winkellage ist mit dem erfindungsge mäßen Verfahren auf einfache und kostengünstige Weise ermittelbar. Vorzugs weise fungiert dabei der Rotor des Motors sowohl als Mittel zum Antreiben der Welle als auch als Geberanordnung zur Ermittlung der Winkellage des Rotors und der Welle. Die Referenzmessung kann einmalig bei der ersten Inbetriebnahme des Motors vorgenommen werden, sie kann aber auch mehrmals vorgenommen werden, beispielsweise bei jeder erneuten Inbetriebnahme des Motors oder während des Betriebs.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren nä
her erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ermittlung der Winkellage eines Rotors eines
elektronisch kommutierten Motors,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Vor
richtung aus Fig. 1,
Fig. 3 ein Impulsdiagramm mit Sensorsignalen, die eine Vorrichtung gemäß
Fig. 2 liefert,
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vor
richtung aus Fig. 1,
Fig. 5 ein Impulsdiagramm mit Sensorsignalen, die eine Vorrichtung gemäß
Fig. 4 liefert,
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der Sensorsignale aus
Fig. 3 oder 4.
Gemäß Fig. 1 weist der Rotor 10 eine Welle 11 und eine mit der Welle 11 fest ver
bundene zylindrische Magnetanordnung auf. Die Magnetanordnung ist als Perma
nentmagnet ausgebildet und fungiert als Geberanordnung 12, die im vorliegenden
Ausführungsbeispiel acht Magnetpole P1, P2, . . ., Pm als Geber aufweist, welche
abwechselnd entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen aufweisen sind. Der
einem Geber P1, . . ., Pm entsprechende Winkel, d. h. der durch die Grenzen eines
Magnetpols P1, . . ., Pm und der Drehachse der Welle gebildete Winkel, wird im fol
genden als Geberwinkel oder Polwinkel bezeichnet.
Die Vorrichtung weist ferner eine auf die Geberanordnung 12 ansprechende Sen
soranordnung mit drei Sensoren 1, 2, 3 auf, die auf einem als Leiterplatte ausgeführ
ten Träger 13 derart positioniert sind, daß sie sich in unmittelbarer Nähe der
Magnetpole P1, . . ., Pm befinden. Die Magnetpole P1, . . ., Pm werden somit bei sich dre
hender Welle 11 an den Sensoren 1, 2, 3 vorbeibewegt. Auf dem Träger 13 sind
mehrere Anschlüsse vorgesehen, und zwar ein Anschluß für die Versorgungsspan
nung Vcc der Sensoren 1, 2, 3, ein Anschluß für das Bezugspotential Gnd der Sen
soren 1, 2, 3, ein Anschluß für das Sensorsignal S1 des Sensors 1, ein Anschluß für
das Sensorsignal S2 des Sensors 2 und ein Anschluß für das Sensorsignal S3 des
Sensors 3. Die Sensoren 1, 2, 3 sind als digitale Hallsensoren ausgebildet, so daß
die Sensorsignale S1, S2, S3 Signalflanken aufweisen, die dann auftreten, wenn die
Grenze zwischen zwei benachbarten Magnetpole P1, . . ., Pm am jeweiligen Sensor 1,
2, 3 vorbeibewegt wird. Diese Signalflanken werden im folgenden als Hallflanken
und die Zeitpunkte, zu denen sie auftreten, als Detektionszeitpunkte bezeichnet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wirkt der Rotor 10 als Geberanordnung. Das
erfindungsgemäße Verfahren läßt sich jedoch ohne weiteres auch auf Vorrichtungen
übertragen, die Magnetgabelschranken, Lichtgabelschranken, eine Unterbrecher
scheibe oder ein Geberzahnrad als Geberanordnung und geeignete Sensoren als
Nehmer aufweisen.
Gemäß Fig. 2 sind die Sensoren 1, 2, 3 in einem ersten Ausführungsbeispiel derart
positioniert, daß der Sollwert des Winkels γ12 zwischen dem Sensor 1 und dem
Sensor 2 gleich 2/3 des Polwinkels γ Pol|m eines Magnetpols Pm ist und der Sollwert
des Winkels γ13 zwischen dem Sensor 1 und dem Sensor 3 gleich 4/3 des Polwin
kels γ Pol|m eines Magnetpols Pm ist. Im Idealfall würden diese Sollwerte genau einge
halten werden, die Sensoren 1, 2, 3 kein Hystereseverhalten aufweisen, die Grenz
übergänge P12, . . ., Pm1 zwischen den Magnetpolen P1, . . ., Pm klar definiert sein, die
Polwinkel γ Pol|1, . . ., γ Pol|m aller Magnetpole P1, . . ., Pm gleich groß sein und die von den
Sensoren 1, 2, 3 generierten Hallflanken wären dann paarweise gegeneinander um
60° elektrisch versetzt. Der Begriff "elektrisch" verdeutlicht hierbei, daß es sich bei
diesem 60°-Winkel um einen Phasenwinkel der elektrischen Signale und nicht um
die Lage des Rotors 10 handelt.
Wird der Rotor 10 in mathematisch positive Richtung, d. h. gegen Uhrzeigersinn
gedreht, so erhält man für die Sensorsignale S1, S2, S3 das in Fig. 3 gezeigten
Signalmuster. Die Hallflanken sind in der Reihenfolge ihres Auftretens mit H1, H2,
H3, . . ., Hm3 bezeichnet und die Detektionszeitpunkte, zu denen sie auftreten, sind
entsprechend mit T1, T2, . . ., Tm.3, bezeichnet, wobei m für die Anzahl der Magnet
pole, im vorliegenden Ausführungsbeispiel für den Wert 8, steht. Jede Änderung des
logischen Pegels eines der drei Sensorsignale S1, S2, S3, d. h. jede Hallflanke, be
stimmt die Grenze eines 60° elektrisch breiten Segments und setzt damit den
Kommutierungsvorgang der Motorströme in Gang.
Aufgrund von unvermeidbaren Fertigungstoleranzen und nichtidealen Eigenschaften
der Sensoren 1, 2, 3 weichen die ermittelten Detektionszeitpunkte T1, T2, . . ., Tm.3,
von den im Idealfall zu erwartenden Detektionszeitpunkten ab. Zur genauen Ermitt
lung der Winkellage der Welle 11 ist es daher erforderlich, diese Abweichung zu
kompensieren.
Hierzu wird nach dem Motorstart zunächst eine Referenzmessung vorgenommen.
Während dieses Meßvorgangs werden die Zeitintervalle ΔT1, ΔT2, . . ., d. h. die Flan
kenabstände zwischen aufeinanderfolgenden Hallflanken H1, H2, H3, . . ., ermittelt
und in der Reihenfolge des Auftretens der zugehörigen Hallflanken H1 bzw. H2 bzw.
. . . als Zeitintervallmeßwerte in einer Meßwerttabelle abgespeichert. Des weiteren
werden für jede Hallflanke H1, H2, . . . auch die sich danach ergebenden logischen
Pegel der Sensorsignale S1, S2, S3 abgespeichert.
Pro Wellenumdrehung werden eine bestimmte Anzahl ANZ von Messungen durch
geführt, wobei diese Anzahl ANZ gleich dem Produkt aus der Anzahl m der Magnet
pole P1, . . ., Pm und der Anzahl der Sensoren 1, 2, 3 ist. Im vorliegenden Ausfüh
rungsbeispiel mit acht Magnetpolen P1, . . ., Pm und drei Sensoren 1, 2, 3 gilt somit
ANZ = m.3 = 24.
Im Anschluß an die Anzahl ANZ von Messungen sind für die nachfolgend beschrie
benen Algorithmen noch die nächsten drei aus der weiteren Wellendrehung resultierenden
Detektionszeitpunkte TANZ+1, TANZ+2, TANZ+3 zu erfassen und entsprechende
Zeitintervalle ΔTANZ, ΔTANZ+1, ΔTANZ+2 in die Meßwerttabelle zu hinterlegen.
Die Störsicherheit läßt sich erhöhen, indem die Zeitintervalle ΔT1, ΔT2, . . . für mehre
re Wellenumdrehungen ausgewertet werden, wobei für jede dieser Wellenumdre
hungen alle Zeitintervalle erfaßt und als Zeitintervallmeßwerte in die Meßwerttabelle
hinterlegt werden. Die Anzahl MessANZ der in der Meßwerttabelle hinterlegten Zei
tintervallmeßwerte bestimmt sich somit zu MessANZ = n.ANZ+2, wobei n für die
Anzahl der Wellenumdrehungen steht.
Im Anschluß an die Meßwertaufnahme erfolgt die Auswertung der Zeitintervallmeß
werte. Den Magnetpolen P1, . . ., Pm werden hierzu jeweils eine Nummer k = 1 . . . m
als Index zugeordnet.
In einem ersten Schritt wird für jeden Magnetpol Pk das seiner Magnetpolbreite
entsprechende Zeitintervall T Pol|k berechnet. Dieses Zeitintervall ist dabei gleich der
Zeit, die erforderlich ist, um den betreffenden Magnetpol Pk vollständig am Sensor 1
vorbeizubewegen. Für die Magnetpole Pk mit den Indizes k = 2 . . . m werden diese
Zeitintervalle mit der Gleichung
und für den Magnetpol P1 mit dem Index k = 1 mit der Gleichung
berechnet. ΔTi = Ti+1-Ti steht dabei für den i-ten Zeitintervallmeßwert aus der
Meßwerttabelle. Die ersten zwei Zeitintervalle ΔT1 und ΔT2 werden somit nicht
ausgewertet, dafür werden aber, wie aus Gleichung (1.2) ersichtlich wird, die ersten
drei Zeitintervalle ΔTANZ, ΔTANZ+1, ΔTANZ+2 der nächsten Wellenumdrehung
ausgewertet. Insgesamt entspricht die Summe der mit den obigen Gleichungen ausge
werteten Zeitintervalle ΔT3, . . ., ΔTANZ+2 einer vollständigen Wellenumdrehung.
Des weiteren werden für jeden Magnetpol Pk mit k = 1 . . . m Zeitintervalle T 12|k und
T 13|k berechnet, die benötigt werden, um den betreffenden Magnetpol Pk vom Sen
sor 1 zum Sensor 2 bzw. vom Sensor 1 zum Sensor 3 zu bewegen. Die Zeitintervalle
T 12|1, . . ., T 12|m sind dabei proportional zum Winkelversatz γ12 zwischen Sensor 1 und
Sensor 2 und die Zeitintervalle T 13|1, . . ., T 13|m sind proportional zum Winkelversatz γ13
zwischen Sensor 1 und Sensor 3. Die Berechnung dieser Zeitintervalle erfolgt für
k = 2 . . . m nach folgenden Gleichungen
und für k = 1 nach folgenden Gleichungen
Drehzahlschwankungen, die während der Meßwertaufnahme auftreten, werden für
k = 1 . . . m mit folgender Gleichung eliminiert
Im nächsten Schritt erfolgt die Umrechnung der ermittelten Zeitintervalle T Pol|k,
T 12|k und T 13|k in Winkelwerte. Die Umrechnung erfolgt nach folgenden Gleichungen
wobei ϕ Pol|k den der Polbreite des Magnetpols Pk entsprechenden Winkelwert dar
stellt, ϕ 12|k den mit dem Magnetpol Pk ermittelten Winkelversatz zwischen den Sen
soren 1 und 2 darstellt und ϕ 13|k den mit dem Magnetpol Pk ermittelten Winkelver
satz zwischen den Sensoren 1 und 3 darstellt.
Die Winkelwerte werden im vorliegenden Fall in Grad angegeben, denkbar ist jedoch
auch eine Umrechnung der Winkelwerte in Radiant oder die Normierung der Win
kelwerte auf einen bestimmten Winkelwert.
Pro Wellenumdrehung erhält man m Winkelwerte für den Winkelversatz ϕ 12|k zwi
schen den Sensoren 1 und 2 und ebenfalls m Winkelwerte für den Winkelversatz
ϕ 13|k zwischen den Sensoren 1 und 3. Durch Mittelwertsbildung können Störungen,
die beispielsweise aus dem hystereseförmigen Schaltverhalten der Sensoren 1, 2, 3
resultieren, wirksam unterdrückt werden. Die gemittelten Winkelwerte für den Win
kelversatz ϕ 12|k bzw. ϕ 13|k werden mit γ12 bzw. γ13 bezeichnet und folgendermaßen
berechnet
Werden bei der Referenzmessung die Detektionszeitpunkte mehrerer Wellenumdre
hungen ausgewertet, so können für die den Polbreiten der Magnetpole entspre
chenden Winkelwerte ϕ Pol|k ebenfalls Mittelwerte gebildet werden. Die Berechnung
erfolgt nach Gleichung
wobei n für die Anzahl der Wellenumdrehungen steht.
Die jedem Magnetpolübergang P12, . . ., Pm1 entsprechenden Drehwinkelwerte
γ Magnet|k der Welle 11 lassen sich unter der Annahme, daß die Winkelposition der
Welle 11 bei der ersten Hallflanke H1 null Grad beträgt, über folgenden Algorithmus
in absolute Winkelpositionen γi berechnen:
wobei für k = 1 folgende Hilfswerte
und für k = 2 . . . m folgende Hilfswerte berechnet werden
Die Winkelposition γi mit i = 1 . . . 3.m stellt dabei den exakten Wert der der Hall
flanke Hi entsprechenden Wellenlage dar. Damit lassen sich für alle einer Wellen
umdrehung entsprechenden Hallflanken H1, . . ., Hm3 und somit für alle während ei
ner Wellenumdrehung detektierten Detektionszeitpunkte T1, . . ., Tm.3 die zugehörigen
tatsächlichen Winkelpositionen γi mit i = 1 . . . 3.m der Welle 1 ermitteln und in
der Meßwerttabelle entsprechend dem Index i der zugehörigen Hallflanke Hi able
gen. Beim anschließenden bestimmungsgemäßen Betrieb wird dann der Index i mit
jeder Hallflanke aktualisiert und die diesem aktualisierten Index entsprechende Win
kelposition γi aus der Meßwerttabelle als momentane Wellenlage ausgelesen. Der
Index i wird dabei bei seiner Aktualisierung so oft um den Wert Eins erhöht, bis der
Wert i = 3.m, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also der Wert i = 24, erreicht ist.
Auf diesen Wert folgt dann wieder der Wert i = 1, d. h. die Meßwerttabelle ist als
zyklische Tabelle angelegt.
Fehler in der Indizierung der Tabelle oder in den Sensorsignalen S1, S2, S3 der Sen
soren 1, 2, 3 können durch einen Vergleich zwischen dem bei jeder Hallflanke ein
gelesenen logischen Pegel der Sensorsignale S1, S2, S3 und den während der Refe
renzmessung ermittelten und in der Meßwerttabelle abgespeicherten Pegeln der
Sensorsignale erkannt werden. Weichen die Pegel voneinander ab, so liegt ein Feh
ler vor. Der Sensor, der das fehlerhafte Sensorsignal lieferte, läßt sich ohne weiteres
aus den Pegeln vor und nach der letzten detektierten Hallflanke ermitteln.
Die tatsächlichen Winkelpositionen γi werden für beide Drehrichtungen der Welle
ermittelt. Dadurch lassen sich Fehler ausgleichen, die aus dem hystereseförmigen
Schaltverhalten der Sensoren 1, 2, 3 resultieren.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem in
Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß der Sensor 3 in
der Mitte zwischen den Sensoren 1 und 2 positioniert ist. Somit ist der Sollwert des
Winkels γ12 zwischen Sensor 1 und Sensor 2 weiterhin gleich 2/3 des Polwinkels
γ Pol|m eines Magnetpols Pm, der Sollwert des Winkels γ13 zwischen Sensor 1 und
Sensor 3 ist nunmehr jedoch gleich 1 /3 des Polwinkels γ Pol|m eines Magnetpols Pm.
Wenn der Rotor 10 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4 in mathematisch positi
ve Richtung gedreht wird, dann erhält man für die Sensorsignale S1, S2, S3 das in
Fig. 5 gezeigte Signalmuster.
Die Berechnung der Winkelpositionen γi für i = 1 . . . 3.m erfolgt analog zu dem
oben im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 beschriebenen
Verfahren.
So werden den Magnetpolen P1, . . ., Pm ebenfalls jeweils eine Nummer k = 1 . . . m
als Index zugeordnet und für jeden Magnetpol Pk das der Polbreite dieses Magnet
pols Pk entsprechende Zeitintervall T Pol|k gemäß den Gleichungen
berechnet. Weiterhin werden für jeden Magnetpol Pk die Zeitintervalle T 12|k und T 13|k
berechnet, wobei folgende Gleichungen zum Einsatz kommen
Drehzahlschwankungen der Welle 11, die während der Meßwertaufnahme auftreten,
werden für k = 1 . . . m mit der Gleichung
eliminiert.
Die Umrechnung der ermittelten Zeitintervalle
in Winkelwerte erfolgt nach den Gleichungen
wobei ϕ Pol|k ebenfalls den der Polbreite des Magnetpols Pk entsprechenden Winkel
wert darstellt, ϕ 12|k ebenfalls den mit dem Magnetpol Pk ermittelten Winkelversatz
zwischen den Sensoren 1 und 2 darstellt und ϕ 13|k ebenfalls den mit dem Magnetpol
Pk ermittelten Winkelversatz zwischen den Sensoren 1 und 3 darstellt.
Denkbar ist wiederum auch eine Umrechnung der Winkelwerte in Radiant oder die
Normierung der Winkelwerte auf einen bestimmten Winkelwert.
Weiterhin werden gemittelten Winkelwerte
und
gebildet.
Werden bei der Referenzmessung die Detektionszeitpunkte mehrerer Wellenumdre
hungen ausgewertet, so können für die den Polbreiten der Magnetpole P1, . . ., Pm
entsprechenden Winkelwerte ϕ Pol|k ebenfalls Mittelwerte
gebildet werden, wobei n für die Anzahl der Wellenumdrehungen steht.
Die Winkelpositionen γi mit i = 1 . . . 3.m lassen sich mit folgenden Gleichungen
berechnen:
wobei für k = 1 folgende Hilfswerte
und für k = 2 . . . m folgende Hilfswerte berechnet werden
Die Winkelpositionen γi mit i = 1 . . . 3.m werden dann, wie oben im Zusammen
hang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 beschrieben, der Ermittlung der
tatsächlichen Wellenlage zugrundegelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit geringem Schaltungsaufwand reali
sieren. Gemäß Fig. 6 weist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Ver
fahrens einen Mikrokontroller 80, drei EXOR-Gatter 25, 35, 45, ein weiteres logi
sches Gatter 50 und drei RC-Glieder 23, 33, 43 auf. Die Sensorsignale S1, S2, S3
werden dabei jeweils einem Eingangsanschluß des Mikrokontrollers 80 und jeweils
auf direktem Wege sowie jeweils über eines der RC-Glieder 23 bzw. 33 bzw. 43
einem der EXOR-Gatter 25 bzw. 35 bzw. 45 zugeführt. Die EXOR-Gatter 25, 35, 45
erzeugen somit impulsförmige Signale, wobei ein Impuls eine von der Zeitkonstanten
des jeweiligen RC-Glieds abhängige Breite aufweist und zu einem Zeitpunkt auftritt,
zu dem das dem jeweiligen EXOR-Gatter zugeführte Sensorsignal S1, S2, S3 eine
Signalflanke aufweist. Die Ausgangssignale der EXOR-Gatter 25, 35, 45 werden
schließlich in dem beispielsweise als ODER-Gatter ausgeführten logischen Gatter 50
zu einem Detektorsignal zusammengefaßt, das zu den Zeitpunkten des Auftretens
der Hallflanken, d. h. zu den Detektionszeitpunkten, Impulse aufweist, und das dem
Mikrokontroller 80 als Meßsignal zugeführt wird.
Der Mikrokontroller 80 umfaßt ein Rechenwerk ALU, einen Speicher ROM/RAM mit
einem Bereich für das Ablaufprogramm und einem Bereich für die Meßwerttabelle,
einen Eingangsport I, dem die Sensorsignale S1, S2, S3 zugeführt werden, eine Er
fassungseinheit C1, der das vom Gatter 50 abgegebene Detektorsignal zugeführt
wird, sowie ein taktgesteuertes Zählwerk C2 zur Ermittlung der Zeitdifferenz
zwischen den Impulsen des Detektorsignals. Die Zeitintervalle zwischen den Hallflanken
werden somit im Mikrokontroller 80 ermittelt.
Claims (9)
1. Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer drehbaren Welle (11) mit einer eine
vorgegebene Anzahl (m) von Gebern (P1, . . ., Pm) aufweisenden Geberanordnung (12)
und mit gegeneinander versetzt angeordneten Sensoren (1, 2, 3), wobei die Geber
(P1, . . ., Pm) bei sich drehender Welle (11) relativ zu den Sensoren (1, 2, 3) bewegt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Sensoren (1, 2, 3) Zeitpunkte als
Detektionszeitpunkte (T1, T2, . . .) ermittelt werden, zu denen die Grenzen (P12, . . ., Pm1)
oder Grenzübergänge der Geber (P1, . . ., Pm) an den Sensoren (1, 2, 3) vorbei
bewegt werden, und daß eine Referenzmessung vorgenommen wird, bei der dem
Versatz der Sensoren (1, 2, 3) entsprechende Winkelabstände (γ12, γ13) und den
Abständen zwischen den Grenzen (P12, . . ., Pm1) oder Grenzübergängen der Geber
(P1, . . ., Pm) entsprechende Winkelabstände (γ Pol|1, γ Pol|2, . . . γ Pol|m) ermittelt werden und
bei der aus den ermittelten Winkelabständen (γ12, γ13, γ Pol|1, γ Pol|2, . . ., γ Pol|m) die Win
kelpositionen (γ1, γ2, . . ., γm.3) der Welle (11) zu den einer Wellenumdrehung ent
sprechenden Detektionszeitpunkten (T1, T2, . . ., Tm.3) als Winkellage der Welle (11)
berechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die berechneten Win
kelpositionen (γ1, γ2, . . ., γm.3) in eine zyklische Meßwerttabelle abgespeichert wer
den und daß den nach der Durchführung der Referenzmessung ermittelten Detekti
onszeitpunkten in der Reihenfolge ihres Auftretens jeweils eine der abgespeicherten
Winkelpositionen (γ1, γ2, . . ., γm.3) in der durch die Meßwerttabelle vorgegebenen
Reihenfolge als Winkellage der Welle (11) zugeordnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz
messung für beide Drehrichtungen der Weile (11) vorgenommen wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Geberanordnung (12) als Magnetanordnung mit
einer der Anzahl der Geber entsprechenden Anzahl von Magnetpolen (P1, . . ., Pm)
ausgebildet ist und daß drei Magnetfelddetektoren als Sensoren (1, 2, 3) vorgese
hen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberanordnung
(12) mindestens einen als Permanentmagnet ausgeführten Magneten aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber
anordnung (12) als Rotor (10) eines elektronisch kommutierten Motors ausgebildet
ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sensoren (1, 2, 3) als digitale Hallsensoren ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß drei Sensoren (1, 2,
3) vorgesehen sind, die derart positioniert sind, daß der Winkelversatz zwischen zwei
benachbarten Sensoren gleich 2/3 oder 1 /3 des der Breite eines Gebers
(P1, . . ., Pm) entsprechenden Winkels (γ Pol|1, . . ., γ Pol|m) ist.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Steuerung
eines elektronisch kommutierten Motors.
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