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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Kommunizieren einer Rotorlageinformation und zum Durchführen einer Kommutierungssteuerung
anhand der kommunizierten Rotorlageinformation.
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Stand der Technik
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Zur
Erfassung der Rotorlage eines Rotors in einem rotatorischen Elektromotor
und zum Kommunizieren der Rotorlageinformation an ein Steuergerät, das eine
Kommutierungssteuerung durchführt,
sind im Allgemeinen drei Verfahren gebräuchlich:
- 1.
Es werden Hall-Sensoren an den Stator des Elektromotors angebracht,
die durch Messung eines magnetischen Flusses eine Information über die
Rotorlage erfassen. Die Hall-Sensoren werden durch das Steuergerät in analoger
Weise ausgelesen, um die Rotorlageinformation zu erhalten. Ein Nachteil
der Verwendung von Hall-Sensoren zur Rotorlagebestimmung besteht darin,
dass diese sehr genau positioniert werden müssen, um die Kommutierung exakt
bei der vorgesehenen Rotorlage durchzuführen. Insbesondere bei hochpoligen
Elektromotoren ist ein aufwendiger mechanischer Abgleich erforderlich. Weiterhin
kann bei einer vom Elektromotor entfernt angeordnetem Steuergerät das auszulesende
analoge Signal durch Störsignale überlagert werden,
was zu weiteren Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Rotorlage
im Steuergerät
führt.
- 2. Es werden Lagesensoren, z. B. in Form von AMR- oder GMR-Sensoren
(AMR: anisotroper Magnetowiderstand, GMR: Riesenmagnetowiderstand),
an dem Elektromotor vorgesehen. Die AMR- oder GMR-Sensoren detektieren
ein rotorlageabhängiges
Magnetfeld eines an der Rotorwelle befestigten Gebermagneten, woraus
sich eine Information über
die Rotorlage ermitteln Isst. Die so erhaltene Rotorlageinformation
wird zumeist über
ein serielles Nachrichtenprotokoll an die Kommutierungssteuerung übermittelt.
Die Kommutierungssteuerung bestimmt aus der empfangenen Rotorlageinformation
die Ansteuerung des Elektromotors gemäß der Kommutierung. Ein Nachteil
bei der Verwendung von Lagesensoren, wie AMR-/GMR-Sensoren, besteht
darin, dass die Informationsübertragung
vom Sensor zur Kommutierungssteuerung mit sehr hoher Bandbreite erfolgen
muss. Die hohe Auflösung
der Rotorlage ist erforderlich, da der Zeitpunkt der Kommutierung
genau zu einem bestimmten Zeitpunkt, wenn der Rotor des Elektromotors
eine bestimmte Rotorlage erreicht hat.
- 3. Weiterhin sind sensorlose Verfahren zur Bestimmung einer
Information über
die Rotorlage bekannt, die eine Information über den Verlauf eines Stromes
in den Elektromotor auswerten und daraus die jeweilige Rotorlage
bestimmen. Bei sensorlosen Verfahren, die auf einer Strommessung
basieren, kann die Rotorlage bei geringer Drehzahl des Elektromotors
nur sehr ungenau bestimmt werden. Bei einem weiteren sensorlosen Verfahren,
das Testpulsverfahren genannt wird, wird die Effizienz des Elektromotors
reduziert, was ebenfalls unerwünscht
ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Erfassung einer Rotorlageinformation und zum Kommunizieren mit
einer Kommutierungssteuerung vorzusehen, wobei einerseits die Kommutierung
zu einem ge wünschten
Zeitpunkt hinreichend genau durchführbar ist und wodurch andererseits
die Kommunikation zwischen dem in dem Elektromotor angeordenten Lagesensor
und dem Steuergerät
zuverlässiger durchgeführt werden
kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch das
Sensorsystem, und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist eine Sensor- und Auswerteeinheit zum Detektieren
einer Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine und zum
Kommunizieren einer Rotorlageinformation an ein Steuergerät vorgesehen.
Die Sensor- und Auswerteeinheit umfasst einen Lagesensor zum Erfassen
einer Angabe über
eine momentane Rotorlage und eine Auswertvorrichtung. Die Auswertevorrichtung
ist ausgebildet, um abhängig
von der Angabe über
die Rotorlage einen Zeitpunkt des Wechsels einer Kommutierung der
elektrischen Maschine festzustellen, und um abhängig vom Zeitpunkt des Wechsels
der Kommutierung eine Rotorlageinformation zu kommunizieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Steuergerät zum Kommutieren einer elektrischen
Maschine vorgesehen. Das Steuergerät umfasst eine Endstufe zum
Ansteuern der elektrischen Maschine und eine Kommutierungssteuerung.
Die Kommutierungssteuerung ist die ausgebildet, um ein Kommutierungssignals
zu empfangen und um abhängig
vom Zeitpunkt des Empfangens des Kommutierungssignals einen Wechsel
der Kommutierung der elektrischen Maschine durchzuführen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einer elektrischen Maschine
mit der obigen Sensor- und Auswerteeinheit und mit dem obigen Steuergerät vorgesehen,
das mit der elektrischen Maschine gekoppelt ist, um die Kommutierungsinformation
zu empfangen.
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In
dem Motorsystem wird ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems
durchgeführt.
Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Erfassen
einer Angabe über
eine momentane Rotorlage in einer elektrischen Maschine;
- – Feststellen
abhängig
von der Angabe über
die Rotorlage eines Zeitpunktes des Wechsels einer Kommutierung
der elektrischen Maschine;
- – abhängig vom
Zeitpunkt des Wechsels der Kommutierung, Kommunizieren einer Rotorlageinformation
an das Steuergerät;
- – abhängig vom
Zeitpunkt des Empfangens der Rotorlageinformation in dem Steuergerät, Durchführen eines
Wechsels der Kommutierung der elektrischen Maschi ne.
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Das
obige Verfahren zum Betreiben des Motorsystems mit der elektrischen
Maschine und dem Steuergerät
sieht vor, eine Rotorlageinformation von einer elektrischen Maschine
zu einem Steuergerät nur
dann zu kommunizieren, wenn eine Kommutierungslage, bei der ein
Wechsel der Kommutierung der elektrischen Maschine erforderlich
ist, erreicht ist. Dadurch kann die Kommunikation zwischen der Sensor-
und Auswerteinheit in der elektrischen Maschine und dem Steuergerät mit wesentlich
geringerer Bandbreite betrieben werden. Während bei herkömmlichen
Verfahren das Steuergerät
die Rotorlageinformation permanent abfragt bzw. permanent erhält, schlägt das obige
Verfahren vor, dass die in der elektrischen Maschine angeordnete
Sensor- und Auswerteeinheit das Steuergerät gemäß einem Interrupt-Verfahren
mit der Rotorlageinformation versorgt. Dadurch dass die Rotorlageinformation
nur dann übermittelt
wird, wenn eine Kommutierung notwendig ist, wird die zu übertragende
Datenmenge erheblich reduziert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Auswertevorrichtung der Sensor- und Auswerteeinheit ausgebildet
sein, die Rotorlageinformation zum Zeitpunkt der Kommutierung oder
um einen festgelegten Zeitversatz vor dem Zeitpunkt der Kommutierung
zu kommunizieren. Dadurch kann eine Übertragungszeit der Rotorlageinformation
berücksichtigt werden.
Der Zeitpunkt der Kommutierung wird im letzteren Fall anhand der
Drehzahl des Rotors geschätzt.
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Weiterhin
kann die Rotorlageinformation die Angabe über die momentane Rotorlage
und/oder ein Kommutierungssignal zum Signalisieren des Zeitpunkts
des Wechsels der Kommutierung umfassen.
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Weiterhin
kann die Sensor- und Auswerteeinheit eine Speichereinrichtung zum
Speichern eines Versatzwertes umfassen, der die absolute Lage des
Lagesensors bezüglich
des Rotors angibt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Motorsystem mit einer Sensoreinheit an der Rotorwelle und einem
Steuergerät;
und
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2 eine
schematische Darstellung einer Sensor- und Auswerteeinheit für die elektrische
Maschine des Motorsystems der 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist
schematisch ein Motorsystem 1 mit einer elektrischen Maschine 2 und
einem Steuergerät 3 dargestellt.
Die elektrische Maschine 2 umfasst bspw. einen Elektromotor
mit einem Stator 21 und einem Rotor 22, der an
einer Rotorwelle 23 angeordnet ist. Der Elektromotor wird
elektrisch kommutiert, das heißt
einzelne Spulen des Elektromotors werden abhängig von der Rotorlage über das
Steuergerät 3 angesteuert.
Die Spulen sind als Statorwicklung an dem Stator 21 ausgebildet.
Durch die Ansteuerung der Spulen der Statorwicklung an dem Stator 21 wird
der Rotor 22, an dem Permanentmagnete (nicht gezeigt) angeordnet
sind, angetrieben.
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Die
Rotorwelle 23 ist mit einer Sensoranordnung 24 als
Lagesensor versehen, die einen Gebermagneten 25 aufweist,
der an der Rotorwelle 23 fixiert ist. Nahe dem Gebermagneten 25 ist
eine Sensor- und Auswerteeinheit 26 angeordnet, die über einen
magnetischen Fluss des von dem Gebermagneten 25 erzeugten
Magnetfeldes eine Information über die
Rotorlage gewinnt. Die Sensor- und Auswerteeinheit 26 umfasst
dafür einen
Magnetfeldsensor z. B. in Form eines AMR- oder GMR-Sensors, der einen
von einem anliegenden Magnetfeld abhängigen elektrischen Widerstand
aufweist. Durch die Lageänderung des
Gebermagneten 25 bei einer Drehung der Rotorwelle 23 verändert sich
das von dem durch den Gebermagneten 25 und den Magnetfeldsensor
gebildeten Lagesensor detektierte Magnetfeld und es kann anhand
des elektrischen Widerstandes des Magnetfeldsensors auf die momentane
Rotorlage, d. h. der absolute Lagewinkel der Rotorwelle 23 bezüglich einer
vorgegebenen Nulllage, geschlossen werden.
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Die
Statorwicklungen am Stator 21 der elektrischen Maschine
werden über
entsprechende Ansteuerleitungen 4 von einer Endstufe 31 des
Steuergerätes 3 angesteuert.
Die Endstufe 31 ist mit einer Kommutierungssteuerung 32 gekoppelt,
die die Endstufe 31 ansteuert. Die Kommutierungssteuerung 32 gibt
dadurch die Kommutierung der elektrischen Maschine vor, das heißt, in welcher
Weise die einzelnen Spulen der Statorwicklung des Stators 21 der
elektrischen Maschine angesteuert werden sollen.
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Zum
Durchführen
der Kommutierung benötigt
die Kommutierungssteuerung 32 eine Information darüber, in
welchem Winkelsegment sich die absolute Rotorlage befindet. Dadurch
kann die Kommutierungssteuerung 32 der Endstufe 31 die
Spulen der Statorwicklung ermitteln, die angesteuert werden sollen,
so dass die elektrische Maschine entsprechend einem in dem Steuergerät 3 empfangenen
Stellwert S z. B. durch Pulsweitenmodulierte Ansteuersignale angesteuert
wird.
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In
dem Motorsystem 1 umfasst die Sensor- und Auswerteeinheit 24 weiterhin
eine Auswertevorrichtung 28, die den Lagesensor 27 permanent
abfragt und ermittelt, wann eine Kommutierung der elektrischen Maschine
erfolgen muss, das heißt, wann
eine Umschaltung der Ansteuerung der einzelnen Spulen der Statorwicklung
erfolgen muss. Stellt die Auswertevorrichtung 28 fest,
dass die momentane Rotorlage eine Kommutierung erforderlich macht, so
sendet die Auswertevorrichtung 28 der Sensor- und Auswerteeinheit 26 über eine
Signalleitung 5 eine Rotorlageinformation an die Kommutierungssteuerung 32 des
Steuergeräts 3.
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Die
von der Auswertevorrichtung 28 übermittelte Rotorlageinformation
kann angeben, dass eine Kommutierung zu einem nächstkommenden Rotorlagesegment
erfolgen soll. Dies kann ausreichend sein, wenn dem Steuergerät 3 die
Drehrichtung der elektrischen Maschine bekannt ist. Weiterhin kann die
Rotorlageinformation eine Angabe über den absoluten Winkel der
Rotorlage enthalten, so dass die Kommutierungssteuerung 32 aus
der Abfolge der empfangenen absoluten Winkel der Rotorlage und der
zwischen dem Empfang von zwei aufeinander folgenden Winkeln verstrichenen
Zeit zusätzlich
zum Durchführen
der Kommutierung auch eine Drehzahl der elektrischen Maschine ermitteln
kann. Die Angabe über
die Drehzahl kann notwendig sein, wenn in dem Steuergerät zusätzlich eine
Drehzahlregelung oder ähnliche
Funktionen realisiert sind. Weiterhin kann es jedoch ausreichend
sein, dass die Rotorlageinformation lediglich eine Information über den Sektor
enthält,
in dem sich die absolute Rotorlage befindet, und ein Senden der
Rotorlageinformation nur erfolgt, wenn durch das Drehen des Rotors 22 eine Änderung
des Sektors aufgetreten ist.
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Die
Auswertevorrichtung 28 kann die Rotorlageinformation zum
Zeitpunkt der Kommutierung oder um einen festgelegten Zeitversatz
vor dem Zeitpunkt der Kommutierung kommunizieren, um Verzögerungen
bei der Übertragung
der Rotorlageinformation auszugleichen.
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Die
von der Sensor- und Auswerteeinheit 26 gesendete Rotorlageinformation
triggert die Kommutierungssteuerung 32, so dass dort ein
Wechsel der Kommutierung abhängig
von der empfangenen Rotorlageinformation mithilfe der Endstufe 31 vorgenommen
werden kann. Die Rotorlageinformation, die über die Signalleitung 5 empfangen
wird, löst
in der Kommutierungssteuerung 32 bspw. eine Interrupt-Routine
aus, die einen entsprechenden Wechsel der Ansteuerung der Statorwicklungen
bestimmt und eine entsprechende Ansteuerung der Endstufe 31 vornimmt.
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Der
Lagesensor 27 ist im beschriebenden Motorsystem als AMR-/GMR-Sensor
ausgeführt,
da diese die Rotorlage mit ausreichender Genauigkeit für eine Kommutierung
auch bei hochpoligen elektrischen Maschinen erfassen können.
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Insbesondere
sind der Lagesensor 27 und die Auswertevorrichtung 28 der
Sensor- und Auswerteinheit 26 in einem Modul, vorzugsweise
gemeinsam auf einem Chip, integriert.
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Da
bei der Fertigung der elektrischen Maschine 2 der Gebermagnet 25 in
der Regel nicht in einer definierten Beziehung zur Rotorlage angebracht wird,
ist unmittelbar nach dem Zusammenbau der elektrischen Maschine keine
Zuordnung zwischen der detektierbaren absoluten Rotorlage und dem Winkelsegment,
in dem ein bestimmte Kommutierung erforderlich ist, verfügbar. Aus
diesem Grunde weist die Sensor- und Auswerteeinheit 26 weiterhin eine
Speichereinheit 29 auf, um einen Abgleichwert zu speichern.
Der Abgleichwert gibt einen Winkelversatz zwischen der tatsächlichen
Rotorlage und der Winkelanordnung des Gebermagneten 25 der
Sensoranordnung 24 an. Beim Betrieb der elektrischen Maschine
wird der Abgleichwert als Offset berücksichtigt, indem die Kommutierungsinformation
abhängig
von einem Rotorlagewert, bei dem die Abgleichwerte berücksichtigt
worden sind, ermittelt wird. Beispielsweise kann der Abgleichwert
durch Addition oder Subtraktion von dem Wert der absoluten Rotorlage,
der mit dem verwendeten Lagesensor ermittelt worden ist, bestimmt
werden.
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Zur Übermittlung
der übertragenen
Informationen können
einfache serielle Datenübertragungsprotokolle
oder auch eine parallele Signalschnittstelle verwendet werden.
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In
dem Speicher 29 können
weiterhin Zwischenwerte gespeichert werden, die Rotorlagen bzw. Zeitpunkte
angeben, zu denen eine Rotorlageinformation an das Steuergerät 3 übermittelt
wird, um dort eine genauere Information über die absolute momentane
Rotorlage zur Verfügung
zu stellen. Es kann vorgesehen sein, dass eine Kommutierung an den
durch die Zwischenwerte angegebenen absoluten Rotorlagen nicht erfolgen
soll und dies kann entsprechend in der über die Signalleitung 5 übermittelten
Rotorlageinformationen gekennzeichnet werden, z. B. indem zusätzlich zu
einer Angabe über
die Rotorlage ein Kommutierungsflag übertragen wird.
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Der
Abgleichwert kann bspw. ermittelt werden, indem die elektrische
Maschine mit bestimmten Ansteuersignalen angesteuert wird, die die
Rotorwelle 23 in eine bestimmte, vordefinierte Position
(Lage) bewegen. Der über
die Sensoranordnung so erfasste Wert der absoluten Rotorlage kann
dann als Abgleichwert verwendet werden.
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Sollen
Ansteuerungsverfahren realisierbar sein, die eine Vorkommutierung
verwenden, das heißt,
es wird eine Kommutierung durchgeführt, bevor die nächste Kommutierungsposition
durch die Rotorwelle 23 erreicht worden ist, so kann ein
entsprechender Wert bzw. eine entsprechende Information ebenfalls
in dem Speicher 29 der Sensor- und Auswerteeinheit 26 vorgesehen
sein. Dazu kann die Sensor- und Auswerteeinheit 26 aus
den erfassten absoluten Rotorlagen eine Drehzahl des Rotors 22 ermitteln
und über
die Signalleitung 5, abhängig von der aktuellen Drehzahl
des Rotors 22 und abhängig davon,
ob eine Vorkommutierung durchgeführt
werden soll, entsprechende Kommutierungsinformationen absetzen,
die Kommutierungszeitpunkte angeben, die den Zeitpunkten des tatsächlichen
Wechsels der Kommutierungssegmente voreilen.
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Das
oben beschriebene Motorsystem ist insbesondere bei Synchronmaschinen
verwendbar und insbesondere dort vorteilhaft, wo Synchronmaschinen
mit hohen Polzahlen verwendet werden, die zeitlich genau kommutiert
werden müssen.
Die bei dem obigen Motorsystem erreichte Reduzierung der Bandbreite
der Signalverbindung 5 ist insbesondere interessant, wenn
die elektrische Maschine 2 und das Steuergerät 3 keine
bauliche Einheit bilden, sondern voneinander entfernt angeordnet
sind.