DE102008043265A1

DE102008043265A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Fehlerkompensation bei elektronischen Winkelmessungen

Info

Publication number: DE102008043265A1
Application number: DE102008043265A
Authority: DE
Inventors: Arnulf Heilig; Rainer Wöger; Rainer Biegert
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-06

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Fehlerkompensation bei elektronischen Winkelmessungen an einem Elektromotor, wobei ein Mess-Winkel (MW) mittels mindestens eines Mess-Sensors, der ein Mess-Magnetfeld detektiert, bestimmt wird, wobei mindestens eine Störfeldquelle ein magnetisches Störfeld erzeugt, das störend auf das Mess-Magnetfeld einwirkt. Für das Mess-Magnetfeld ein Magnetfeldvektor ermittnzelne Störfeldkomponenten zerlegt, die einzelnen Störfeldvektoren entsprechen, und dann werden die Störfeldvektoren vektoriell von dem Magnetfeldvektor subtrahiert. Vorzugsweise wird bei der Ermittlung von Winkelfehlern eine diskrete Fourier-Transformation angewendet, wobei Winkelfehler verschiedener Fehleranordnungen erkannt werden. Dabei werden zur Fehlerkompensation nur solche Winkelfehler herangezogen, deren Fehlerordnungen einer Ordnungszahl entspricht, die um Eins kleiner oder größer als die Polzahl des Elektromotors ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fehlerkompensation bei elektronischen Winkelmessungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Fehlerkompensation von Störfeldern bei elektronischen Winkelmessungen mittels Magnetfeld-Sensoren zur Bestimmung der Rotorlage in einem Elektromotor.
Es ist bekannt, die Rotorlage in einem Elektromotor mittels Magnetfeld-Sensoren zu messen, insbesondere mittels magnetoresistiven Sensoren, die auch kurz als MR-Sensoren bezeichnet werden. Hierunter fallen die sogenannten AMR-Sensoren (anisotropischen MR-Sensoren), die im Gegensatz zu den sogenannten GMR-Sensoren (Giant-MR-Sensoren) wesentlich einfacher aufgebaut sein können. Ein AMR-Sensor besteht in der Regel aus einer dünnen Permalloyschicht und aus zur Linearisierung der Kennlinie aufgebrachten Metallbahnen (sogenannte Barber-Pole). Die spontane Magnetisierung liegt dabei in Richtung der durch die Formanisotropie festgelegten leichten Achse. Ein Magnetfeld in Richtung der senkrecht dazu stehenden schweren Achse führt zu einer Drehung der Magnetisierung des Permalloystreifens und somit zu einer Änderung seines Widerstandes. Insbesondere werden AMR- Sensoren bevorzugt in elektromotorisch unterstützten Lenksystemen eingesetzt, um den Rotorwinkel im dortigen Servomotor zu messen. Eine weitere Art von Sensoren sind die sogenannten Hall-Sensoren, bei denen eine Mess-Spannung in Abhängigkeit von dem zu messenden winkelabhängigen Magnetfeld erzeugt wird.
Aus der DE 10 248 060 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Winkelmessungen in einem Lenksystem mittels elektro-magnetischer Sensoren bekannt. Um auch kostengünstige AMR-Sensoren, die bloß einen Messbereich von 180 Grad abdecken, für eine Winkelmessung über 360 Grad verwenden zu können, wird dort eine Kombination von einem AMR-Sensor mit zwei weiteren Sensorelementen vorgeschlagen, so dass auch bei Einschränkung des Messbereiches auf 180 Grad der Winkel im gesamten Winkelbereich zwischen 0 und 360 Grad detektiert werden kann. Über eine Kompensation von evtl. auftretenden Messfehlern wird dort nichts Näheres ausgeführt.
Da es jedoch üblich ist, die Mess-Sensoren bevorzugt in das Steuergerät des Elektromotors zu integrieren, ist es auch bekannt, dass die im Steuergerät fließenden Ströme sich störend auf die Winkelmessung auswirken. Insbesondere werden magnetische Störfelder erzeugt, die auf das eigentlich zu messende Magnetfeld einwirken und zu Messfehlern führen. Zur Veranschaulichung des fehlerbehafteten Verlaufs eines tatsächlich detektierten Mess-Winkels MW zeigt die 1a den Verlauf des Mess-Winkels MW über dem idealen Referenzwinkel RW. Die 1b zeigt den Verlauf der Fehlerabweichung NL, woran zu erkennen ist, dass der Mess-Winkel MW um bis zu +/–4 Grad von der Referenz RW bzw. Ideallinie abweicht.
Zur Reduzierung der Störfeldeinflüsse ist es bekannt, die eigentliche Mess-Anordnung bzw. den Mess-Sensor gegen die Störquellen abzuschirmen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere eine vom Gleichstrom des Elektromotors durchflossene Gegentaktdrossel ein starkes Störfeld erster Ordnung erzeugt. Dieses Störfeld bzw. der daraus resultierende Winkelfehler kann durch ein Schirmblech weitestgehend abgeschirmt werden; die Winkelfehler höherer Ordnung (F0 = 2, 3, 4...) jedoch nicht. Demnach stellt eine Abschirmung nur eine sehr begrenzte Möglichkeit zur Fehlerkompensation dar. Die Störungen höherer Ordnung, die z. B. von der Steuerschaltung des Motors verursacht werden können, wenn sich diese in der Nähe des Mess-Sensors befindet, erfordern in der Regel eine Kompensation, die am jeweiligen Mess-Signal selbst vorgenommen werden muss und die recht aufwendig sein kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fehlerkompensation bei elektronischen Winkelmessungen vorzuschlagen, die die oben genannten Nachteile in vorteilhafter Weise überwinden. Insbesondere sollen auch Messfehler höherer Ordnung effektiv kompensiert werden.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.
Demnach wird zur Fehlerkompensation bei elektronischen Winkelmessungen, bei denen ein Mess-Winkel mittels mindestens eines Mess-Sensors bestimmt wird, der ein Mess-Magnetfeld detektiert, und bei denen mindestens eine Störfeldquelle ein magnetisches Störfeld erzeugt, das störend auf das Mess- Magnetfeld einwirkt, vorgeschlagen, dass für das Mess-Magnetfeld ein Magnetfeldvektor ermittelt wird, dass das magnetische Störfeld in einzelne Störfeldkomponenten zerlegt wird, die einzelnen Störfeldvektoren entsprechen, und dass die Störfeldvektoren vektoriell von dem Magnetfeldvektor subtrahiert werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die auftretenden Störungen sich abhängig von der Polzahl des Motors bei bestimmten Fehlerordnungen häufen. So treten bei einem 4-poligen Motor besonders deutliche Störungen dritter und fünfter Ordnung auf. Allgemein wurde ermittelt, dass bei einer n-poligen elektrischen Maschine insbesondere Störungen der (n – 1)ten und (n + 1)ten Ordnung auftreten.
Der Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze, indem sie eine Kompensation vorschlägt, die auf eben diese bestimmten Fehlerordnungen hin fokussiert und optimiert ist.
Für die Ermittlung der Kompensationsparameter der einzelnen Störfeldkomponenten wird eine Messung herangezogen, bei welcher alle Störanteile bis auf jene der 1ten, 3ten und 5ten Ordnung herausgefiltert werden. Somit lassen sich andere Einflüsse ausschließen. Falls keine systematische 1. Fehlerordnung auftritt, da z. B. der Gleichstromanteil durch ein Schirmblech abgeschirmt ist, wird auch der Anteil der 1. Ordnung herausgefiltert.
Diese Bestimmung der Kompensationsparameter wird einmalig für jede Hardwarekonfiguration offline berechnet. Online werden dann die ermittelten Kompensationsparameter verwendet, um die Störfeldeinflüsse vektoriell zu kompensieren.
Auch wenn man die Anteile erster Ordnung mit einem Schirmblech eliminieren kann, so kostet dies jedoch Geld. Ziel soll es aber sein, möglichst alle störenden Einflüsse mit Software zu eliminieren.
Eine Fourier-Analyse, insbesondere eine DFT, wird beim Abgleichvorgang des einzelnen Steuergeräts vorzugsweise nur dazu verwendet, die Feldstärke des Sensormagneten bzw. den Betrag des Störfeldeinflusses zu ermitteln. Das geschieht dadurch, dass man die Fehleramplitude einer Ordnung (z. B. der 3ten Ordnung) bei einem bestimmten Strom analysiert. Man erkennt ggf. dann dort eine größere Fehleramplitude. Ein geringeres Sensormagnetfeld kann z. B. durch einen größeren Abstand des Magneten zum Sensor und/oder durch einen schwächeren Sensormagnet entstehen. Es wird ein stärkerer Kompensationsfaktor notwendig.
Vorzugsweise wird also bei der Ermittlung von Winkelfehlern eine diskrete Fourier-Transformation angewendet wird, wobei Winkelfehler verschiedener Fehlerordnungen erkannt werden. In diesem Zusammenhang werden dann zur Fehlerkompensation nur solche Winkelfehler herangezogen, deren Fehlerordnungen einer Ordungszahl entspricht, die um Eins kleiner oder größer als die Pohlzahl des Elektromotors ist. Dadurch kann die Kompensation auf die wesentlichen Störfaktoren fokussiert werden.
Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend werden die Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile im Detail anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf folgende beiliegenden Zeichnungen beschrieben:
2, die für den Fall eines 4-poligen Motors eine Verteilung der auftretenden Störungen nach Fehlerordnungen darstellt;
3, die eine erfindungsgemäße Zerlegung eines Störfeldvektors entsprechend einzelner Stromphasen veranschaulicht;
4a und 4b, die den Verlauf einzelner Stromphasen bzw. das am Sensor resultierende Störfeld darstellen;
5a und 5b, die den resultierenden, umlaufenden Störfeldvektor darstellt bzw. das am Sensor resultierende Störfeld; und
6, die die in dem Winkelfehler auftretenden Ordnungen darstellt.
Die 2 zeigt im Vergleich die auftretenden Winkelfehler WF erster und höherer Ordnung im nicht-abgeschirmten Fall OS zu denen im abgeschirmten Fall MS. Daran ist erkennbar, dass die Winkelfehler WF erster Ordnung (Fehlerordnung F0 = 1), die im wesentlichen von der Gegentaktdrossel herrühren, durch eine Abschirmung deutlich reduziert werden können, dass aber die Winkelfehler WF höherer Ordnung (F0 = 2, 3, 4...) nicht durch eine bloße Abschirmung kompensiert werden können. Außerdem verdeutlicht die 2 den Zusammenhang zwischen auftretenden Fehlerordnungen FO und Polzahl des Motors. Das gezeigte Beispiel geht von einem 4-poligen Motor aus. Dann treten unabhängig von den Störungen 1-ter Ordnung auch noch sehr deutliche Störungen 3-ter und 5-ter Ordnung auf. Es wurde ein allgemeiner Zusammenhang zwischen Polzahl n und den beiden am stärksten auftretenden Fehlerordnungen FO erkannt, wobei gilt: FO = {(n – 1); (n + 1)}. Demnach bilden sich Fehlerordnungen FO mit Ordnungszahlen aus, die um 1 geringer bzw. größer als die Polzahl sind.
Anhand der 3 wird eine erfindungsgemäße Zerlegung eines Störfeldvektors entsprechend einzelner Stromphasen U, V und W veranschaulicht. Beispielhaft wird hier die Zerlegung des Störfeldvektors Hu für die Stromphase U dargestellt. Der Störfeldvektor Hu wird in seine X-Komponente Hux und in seine Y-Komponente Huy zerlegt. Diese einzelnen Komponenten können dann von dem gewonnenen Mess-Winkel-Signal subtrahiert werden.
Die 4a zeigt den Verlauf der einzelnen Stromphasen Iu, Iv und Iw. Jeder Phasenstrom kann etwa 100 A betragen. Das Nutzmagnetfeld des Elektromotors beträgt etwa 55 mT. Da in diesem Beispiel ein Elektromotor mit vier Rotorpaaren verwendet wird, durchlaufen die Phasenströme vier Perioden pro mechanischer Umdrehung.
Wie die 4b dazu veranschaulichend zeigt, entsteht somit am Mess-Sensor ein resultierendes Störfeld vierter Ordnung (achter Ordnung im Betrag).
Die 5a stellt den resultierende Störfeldvektor für eine viertel Umdrehung des Rotors dar und entspricht somit einer vektoriellen Darstellung der 4a. Dieses Störfeld überlagert sich mit dem eigentlich zu messenden Nutzmagnetfeld und verzerrt dieses...
In der 5b ist der Winkelfehler-Verlauf des am Sensor resultierenden Störfeld dargestellt. Die Fig. verdeutlicht die Überlagerung des eigentlichen Nutzfeldvektors mit dem resultierenden Störfeldvektor. Die 5b entspricht im wesentlichen einer gefilterten Darstellung der 1b und zeigt die Störungen dritter und fünfter Ordnung. Die Kompensation erfolgt wie folgt:
Für die Ermittlung der Kompensationsparameter der einzelnen Störfeldkomponenten wird eine Messung herangezogen, bei welcher alle Störanteile bis auf jene der 1ten, 3ten und 5ten Ordnung herausgefiltert werden. Somit lassen sich andere Einflüsse ausschließen. Falls keine systematische 1. Fehlerordnung auftritt, da z. B. der Gleichstromanteil durch ein Schirmblech abgeschirmt ist, wird auch der Anteil der 1. Ordnung herausgefiltert.
Diese Bestimmung der Kompensationsparameter wird einmalig für jede Hardwarekonfiguration offline berechnet. Online werden dann die ermittelten Kompensationsparameter verwendet, um die Störfeldeinflüsse vektoriell zu kompensieren.
Auch wenn man die Anteile erster Ordnung mit einem Schirmblech eliminieren kann, so kostet dies jedoch Geld. Ziel soll es aber sein, möglichst alle störenden Einflüsse mit Software zu eliminieren.
Eine Fourier-Analyse, insbesondere eine DFT, wird beim Abgleichvorgang des einzelnen Steuergeräts vorzugsweise nur dazu verwendet, die Feldstärke des Sensormagneten bzw. den Betrag des Störfeldeinflusses zu ermitteln. Das geschieht dadurch, dass man die Fehleramplitude einer Ordnung (z. B. der 3ten Ordnung) bei einem bestimmten Strom analysiert. Man erkennt ggf. dann dort eine größere Fehleramplitude. Ein geringeres Sensormagnetfeld kann z. B. durch einen größeren Abstand des Magneten zum Sensor und/oder durch einen schwächeren Sensormagnet entstehen. Es wird ein stärkerer Kompensationsfaktor notwendig.
Die 6 zeigt eine durch DFT (diskrete Fourier-Transformation) gewonnene Darstellung des Winkelfehlers und veranschaulicht, dass vor allem Winkelfehler dritter und fünfter Ordnung auftreten. Anzumerken ist, dass die DFT über dem Winkel und nicht über der Zeit durchgeführt wurde. Die 6 korrespondiert somit zu der Darstellung nach 5b.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10248060 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Fehlerkompensation bei elektronischen Winkelmessungen an einem Elektromotor, wobei ein Mess-Winkel (MW) mittels mindestens eines Mess-Sensors, der ein Mess-Magnetfeld detektiert, bestimmt wird, wobei mindestens eine Störfeldquelle ein magnetisches Störfeld erzeugt, das störend auf das Mess-Magnetfeld einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass für das Mess-Magnetfeld ein Magnetfeldvektor ermittelt wird, dass das magnetische Störfeld in einzelne Störfeldkomponenten zerlegt wird, die einzelnen Störfeldvektoren entsprechen, und dass die Störfeldvektoren vektoriell von dem Magnetfeldvektor subtrahiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen dem Betrag des Störfeldes und dem das Störfeld verursachenden Strom des jeweiligen Störfeldvektors durch einen numerischen Algorithmus bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des jeweiligen Störfeldvektors durch einen numerischen Algorithmus bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Störfeld auch von Motorströmen erzeugt wird, die verschiedene Phasenströmen (U, V, W) entsprechen, wobei für einzelne der Phasenströme (U, V, W) jeweils ein Störfeldvektor ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Störfeld auch von einem Batteriestrom erzeugt wird, für den Störfeldvektor ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Störfeldvektoren die Magnetfeldstärke des Mess-Sensors berücksichtigt wird, insbesondere mittels eines Einlernvorganges berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldstärke des Mess-Sensors in Abhängigkeit von der Temperatur berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Störfeldvektoren diese in ihre X- und Y-Komponeten zerlegt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die X- und Y-Komponeten der Störfeldvektoren einzelner Stromphasen (U, V, W) komponentenweise addiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung von Winkelfehlern (WF) eine diskrete Fourier-Transformation angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Fourier-Transformation Winkelfehler (WF) verschiedener Fehlerordnungen (FO) erkannt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fehlerkompensation nur solche Winkelfehler (WF) herangezogen werden, deren Fehlerordnungen (FO) einer Ordungszahl entspricht, die um Eins kleiner oder größer als die Pohlzahl (n) des Elektromotors ist.
Vorrichtung zur Fehlerkompensation bei elektronischen Winkelmessungen, wobei die Vorrichtung mindestens einen Mess-Sensor (MS) aufweist, der ein Mess-Magnetfeld detektiert, um einen Mess-Winkel (MW) zu bestimmen, wobei mindestens eine Störfeldquelle ein magnetisches Störfeld erzeugt, das störend auf das Mess-Magnetfeld einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Rechenmittel ausweist, die für das Mess-Magnetfeld ein Magnetfeldvektor ermitteln, die das magnetische Störfeld in einzelne Störfeldkomponenten zerlegen, die einzelnen Störfeldvektoren entsprechen, und die die Störfeldvektoren vektoriell von dem Magnetfeldvektor subtrahieren.