DE102009028170A1

DE102009028170A1 - Kommutierter elektrischer Antrieb und Verfahren zur Ansteuerung eines kommutierten Elektromotors

Info

Publication number: DE102009028170A1
Application number: DE200910028170
Authority: DE
Inventors: Antoine Chabaud
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-10
Also published as: US8901862B2; US20120181958A1; JP2013501486A; WO2011012427A2; WO2011012427A3; CN102498367B; EP2459970A2; CN102498367A; EP2459970B1

Abstract

Ein kommutierter elektrischer Antrieb weist einen Elektromotor mit einer Sensoranordnung (1), die einen Permanentmagnet (5) auf einer Welle (10) des Elektromotors und einen analogen Hall-Sensor (11, 12, 14, 16) ortsfest zum Stator des Elektromotors gegenüber dem Permanentmagneten (5) umfasst, auf. Eine Steuerung zur Ansteuerung von Wicklungen des Elektromotors hat einen Speicher zum Speichern eines mit dem Hall-Sensor gemessenen Kalibrier-Hall-Signals des Magnetfelds des Permanentmagneten (5) über eine Wellendrehung. Die Steuerung weist eine Einrichtung zum Vergleichen eines mit dem Hall-Sensor (11, 12, 14, 16) gemessenen aktuellen Hall-Signals des aktuellen Magnetfelds des Permanentmagneten (5) mit dem Kalibrier-Hall-Signal auf. Temperatureffekte und Alterungseffekte können erkannt werden und bei der Bestimmung der Rotorlage berücksichtigt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem kommutierten elektrischen Antrieb und einem Verfahren zur Ansteuerung eines kommutierten Elektromotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Hochstrom elektrisch kommutierte Antriebe kommen in heutigen Kraftfahrzeugen in vielerlei Anwendungen zum Einsatz, z. B. in der elektrischen Servolenkung oder im riemengetriebenen Starter. Zur Steuerung der Kommutierung ist die Kenntnis der relativen Lage zwischen dem Ständer- und dem Läuferfeld notwendig. Heutige Systeme setzen zur Ermittlung der Winkellage eine Kombination von AMR und digitalen Hall-Sensoren ein. So beschreibt die DE 10 2006 060 808 A1 einen Winkelsensor zur Drehwinkelerfassung eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils, mit einem Gebermagneten, der koaxial mit dem drehbaren Bauteil verbindbar ist, mit im Bereich des Magnetfelds des Magneten fest angeordneten magnetoresistiven Sensorelement und digitalen Hall-Element. Aus der Kombination des Analogsignals des magnetoresistiven Sensorelements und des Digitalsignals ist ein Winkelsignal des 360 Grad Winkelbereichs erzeugbar. Solche Systeme können die Richtung, aber nicht die Amplitude des Feldes des Gebermagneten erfassen. Temperaturabhängigkeiten und die Alterung des Geberfeldes beeinträchtigen wegen der großen Hysterese des digitalen Hall-Sensors die 360 Grad Messeindeutigkeit des Winkelsensors.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße kommutierte elektrische Antrieb hat dagegen mehrere Vorteile. Erfindungsgemäß weist der Antrieb einen Magnetfelderzeuger, insbesondere einen Permanentmagnet auf einer Welle des Elektromotors und einen analogen Hall-Sensor ortsfest gegenüber dem Magnetfelderzeuger auf. Die Steuerung weist einen Speicher auf, in dem Kalibrierdaten des Hallsensors über eine volle Wellendrehung gespeichert werden. Im Betrieb des Antriebs werden aktuelle Messsignale des Hall-Sensors mit den Kalibrierdaten verglichen. Damit können aktuelle Umwelteinflüsse, die von den Kalibrierbedingungen abweichen, sowie eine Alterung des Feldes des Magnetfelderzeugers erkannt und berücksichtigt werden. Ein analoger Hall-Sensor hat als weiteren Vorteil gegenüber einem digitalen Hall-Sensor eine wesentlich kleinere Hysterese und ermöglicht daher eine bessere Winkelauflösung.
Der Magnetfelderzeuger ist vorzugsweise ein Permanentmagnet. Jedoch ist ebenso eine Ausführung möglich, bei der der Magnetfelderzeuger ein weichmagnetisches Blech, also ein Blech aus einem weichmagnetischen Material ist und ein Permanentmagnet ortsfest zum Stator des Elektromotors derart angeordnet ist, dass das rotierende Blech als Magnetfelderzeuger eine Störung des Magnetfelds des ortsfesten Permanentmagneten erzeugt, sozusagen ein magnetisches Störfeld erzeugt.
Die nun allgemein beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen von einem Permanentmagneten als Magnetfelderzeuger aus. Eine bevorzugte Anordnung weist einen mehrpoligen Permanentmagnet symmetrisch zur Wellenmitte auf deren Stirnseite und einen linearen Hall-Sensor neben der Wellenmitte auf. Eine weitere vorteilhafte Anordnung hat einen mehrpoligen Permanentmagnet symmetrisch zur Wellenmitte und einen planaren Hall-Sensor auf der Wellenmitte. Der planare Hall-Sensor liefert ebenfalls ein analoges Signal proportional zur Feldstärke des Magnetfeldes und ermöglicht eine zusätzliche Designoption.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung weist einen mehrpoligen Permanentmagnet symmetrisch zur Wellenmitte, einen AMR Sensor auf der Wellenmitte und einen linearen Hall-Sensor neben der Wellenmitte auf. Mit Hilfe des AMR Sensors ist eine 360 Grad Eindeutigkeit der Rotorlage des Elektromotors erreichbar. Die entsprechende Designoption mit dem planaren Hall-Sensor weist einen mehrpoligen Permanentmagnet symmetrisch zur Wellenmitte, einen AMR Sensor auf der Wellenmitte und einen planaren Hall-Sensor axial oder seitlich neben dem AMR Sensor auf.
Die Steuerung der Ströme der einzelnen Wicklungen des Elektromotors aufgrund der ermittelten Winkellage des Rotors ist dem Fachmann bekannt und wird hier nicht thematisiert. Beschrieben werden nur die Möglichkeiten, die die Erfindung darüber hinaus eröffnet. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung eines kommutierten Elektromotors weist folgende Schritte auf:

a) Kalibrieren der Sensoranordnung mittels Erfassen und Speichern eines mit dem Hall-Sensor gemessenen Kalibrier-Hall-Signals des Magnetfelds des Magnetfelderzeugers unter vorbestimmten Umgebungsbedingungen über eine Wellendrehung. Dies erfolgt vorteilhaft während der Herstellung des Antriebs. Das Kalibrier-Hall-Signal dient als Referenz für das im späteren Betrieb wiederholt gemessene Signal. Die folgenden Verfahrensschritte werden im Betrieb wiederholt.
b) Erzeugen eines aktuellen Hall-Signals des aktuellen Magnetfelds des Magnetfelderzeugers durch den Hall-Sensor. Diese Messung findet unter im Betrieb und damit unter den aktuellen Umgebungsbedingungen statt.
c) Vergleichen des Hall-Signals mit dem Kalibrier-Hall-Signal;
d) Ermitteln von Abweichungen des aktuellen Magnetfelds des Magnetfelderzeugers von dem Magnetfeld unter vorbestimmten Umgebungsbedingungen. Unterschiede der Magnetfelder entstehen aufgrund der unterschiedlichen Umgebungsbedingungen bei der Kalibrierung und im Betrieb sowie durch Alterung des Feldes des Permanentmagneten, das gilt für alle Anordnungen des Permanentmagneten sowohl auf der Welle als auch ortsfest zum Stator.
e) Ermitteln der Winkellage des Elektromotors aus dem Hall-Signal und den ermittelten Abweichungen des aktuellen Magnetfelds. Die ermittelten Abweichungen können zu einer Korrektur der Winkellage aus dem Hall-Signal führen.
f) Ansteuern des kommutierten Elektromotors aufgrund der Daten der ermittelten Winkellage.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Ermittlung der Entmagnetisierung des Permanentmagneten aus den ermittelten Abweichungen vor. Vorzugsweise wird ein Indikatorsignal bei zu geringer gemessener magnetischer Feldstärke des Permanentmagneten erzeugt. Vorteilhaft weist der Elektromotor einen AMR Sensor auf und das Signal des AMR Sensors wird zum Erreichen einer 360 Grad Eindeutigkeit verwendet. Das Kompensieren von magnetischen Störfeldern am Ort des Hall-Sensors durch Berücksichtigung bekannter Ströme durch Wicklungen des Elektromotors und der aktuellen Feldstärke des Permanentmagneten bei dem Kalibrieren und/oder bei dem Erzeugen des aktuellen Hall-Signals ist möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen
1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß der Erfindung zeigt;
2 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform zeigt;
3 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß der Erfindung in einer dritten Ausführungsform zeigt;
4 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß der Erfindung in einer vierten Ausführungsform zeigt;
5 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Ein erfindungsgemäßer kommutierter elektrischer Antrieb mit einem Elektromotor mit einer Sensoranordnung hat einen Magnetfelderzeuger, insbesondere einen Permanentmagnet, auf einer Welle des Elektromotors. Magnetische Sensoren sind ortsfest in Bezug auf einen Stator des Motors gegenüber dem mit der Welle drehenden Magnetfelderzeugers angebracht. 1–4 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen von Sensoranordnungen 1, 2, 3, 4 gemäß der Erfindung jeweils in Seitenansicht von einer Stirnseite der Motorwelle, wobei hier der Magnetfelderzeuger ein Permanentmagnet ist und wobei zunächst die gemeinsamen Elemente der Ausführungsformen aufgeführt sind. Der Permanentmagnet 5 mit Polen 6 und 7, kenntlich durch die Poltrennungslinie 8, liegt symmetrisch zur Wellenmitte 9 auf der Motorwelle 10. Dazu sind die Arten und Lagen der magnetischen Sensoren dargestellt.
1 zeigt eine Sensoranordnung 1 gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform. Der zweipolige Permanentmagnet 5 liegt symmetrisch zur Wellenmitte 9. Die Sensoranordnung 1 weist einen linearen Hall-Sensor 11 neben der Wellenmitte 9 auf, verschoben von der Wellenmitte 9 in Richtung der magnetischen Feldmitte des Permanentmagnet 5, senkrecht zur Poltrennungslinie 8.
In 2, die eine Sensoranordnung 2 gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform zeigt, ist neben dem wieder symmetrisch zur Wellenmitte 9 liegenden zweipoligen Permanentmagnet 5 ein planarer Hall-Sensor 12 auf der Wellenmitte 9 angeordnet.
3 zeigt eine Sensoranordnung 3 gemäß der Erfindung in einer dritten Ausführungsform. Der zweipolige Permanentmagnet 5 liegt wieder symmetrisch zur Wellenmitte 9. Ein AMR Sensor 13 ist auf der Wellenmitte 9 angeordnet. Ein linearer Hall-Sensor 14 ist neben der Wellenmitte 9 angeordnet, verschoben von der Wellenmitte 9 im Winkel von 45 Grad zur Poltrennungslinie 8.
In 4 ist eine Sensoranordnung 4 gemäß der Erfindung in einer vierten Ausführungsform dargestellt. Der zweipolige Permanentmagnet 5 liegt wieder symmetrisch zur Wellenmitte 9. Ein AMR Sensor 15 ist auf der Wellenmitte angeordnet und ein planarer Hall-Sensor 16 ist neben dem AMR Sensor 16 angeordnet, von der Wellenmitte 9 in einer Richtung senkrecht zur Poltrennungslinie 8.
Der Antrieb weist weiterhin eine Steuerung zur Ansteuerung von Wicklungen des Elektromotors auf, wobei die Steuerung einen Speicher zum Speichern eines mit dem Hall-Sensor 11, 12, 14, 16 gemessenen Kalibrier-Hall-Signals des Magnetfelds des Permanentmagneten 5 unter vorbestimmten Umgebungsbedingungen über eine Wellendrehung aufweist, und wobei die Steuerung eine Einrichtung zum Vergleichen eines mit dem Hall-Sensor gemessenen aktuellen Hall-Signals des aktuellen Magnetfelds des Permanentmagneten mit dem Kalibrier-Hall-Signal aufweist.
5 zeigt ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung des oben beschriebenen kommutierten Elektromotors. Das Verfahren beginnt mit Schritt

a) Kalibrieren der Sensoranordnung mittels Erfassen und Speichern eines mit dem Hall-Sensor gemessenen Kalibrier-Hall-Signals des Magnetfelds des Magnetfelderzeugers unter vorbestimmten Umgebungsbedingungen über eine Wellendrehung. Dieser Verfahrensschritt erfolgt während der Herstellung des Antriebs. Die folgenden Verfahrensschritte werden im Betrieb wiederholt. Es folgt Schritt
b) Erzeugen eines aktuellen Hall-Signals des aktuellen Magnetfelds des Magnetfelderzeugers durch den Hall-Sensor. Diese Messung findet unter im Betrieb und damit unter den aktuellen Umgebungsbedingungen statt. Nun folgt Schritt
c) Vergleichen des Hall-Signals mit dem Kalibrier-Hall-Signal. In Schritt
d) werden Abweichungen des aktuellen Magnetfelds des Magnetfelderzeugers von dem Magnetfeld unter vorbestimmten Umgebungsbedingungen ermittelt. Unterschiede der Magnetfelder entstehen aufgrund der unterschiedlichen Umgebungsbedingungen bei der Kalibrierung und im Betrieb sowie durch Alterung des Feldes des Permanentmagneten. In Schritt
e) erfolgt das Ermitteln der Winkellage des Elektromotors aus dem Hall-Signal und den ermittelten Abweichungen des aktuellen Magnetfelds. Die ermittelten Abweichungen können zu einer Korrektur der Winkellage aus dem Hall-Signal führen, insbesondere bei extremen Temperaturen und bei hohem Alter des Sensors aufgrund einer Entmagnetisierung. In Schritt
f) erfolgt das Ansteuern des kommutierten Elektromotors aufgrund der Daten der ermittelten Winkellage.

Die Steuerung ermittelt die Entmagnetisierung des Permanentmagneten aus den ermittelten Abweichungen. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Berücksichtigung der Alterung bzw. Entmagnetisierung des Permanentmagneten für alle Anordnungen des Permanentmagneten sowohl auf der Welle als auch ortsfest zum Stator im Falle des rotierenden weichmagnetischen Blechs gilt. Die Steuerung erzeugt ein Indikatorsignal bei zu geringer gemessener magnetischer Feldstärke des Permanentmagneten. Die Steuerung kompensiert magnetische Störfelder am Ort des Hall-Sensors durch Berücksichtigung bekannter Ströme durch Wicklungen des Elektromotors und bekannter Feldstärke des Permanentmagnetfeldes bei dem Kalibrieren und bei dem Erzeugen des aktuellen Hall-Signals.
Bei einem Elektromotor, der weiterhin einen AMR Sensor 13, 15 aufweist, verwendet die Steuerung das Signal des AMR Sensors zum Erreichen einer 360 Grad Eindeutigkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006060808 A1 [0001]

Claims

Kommutierter elektrischer Antrieb mit einem Elektromotor mit einer Sensoranordnung (1, 2, 3, 4), die einen Magnetfelderzeuger (5) auf einer Welle (10) des Elektromotors und einen analogen Hall-Sensor (11, 12, 14, 16) ortsfest zum Stator des Elektromotors gegenüber dem Magnetfelderzeuger (5) aufweist, und einer Steuerung zur Ansteuerung von Wicklungen des Elektromotors, wobei die Steuerung einen Speicher zum Speichern eines mit dem Hall-Sensor gemessenen Kalibrier-Hall-Signals des Magnetfelds des Magnetfelderzeugers (5) unter vorbestimmten Umgebungsbedingungen über eine Wellendrehung aufweist, und wobei die Steuerung eine Einrichtung zum Vergleichen eines mit dem Hall-Sensor (11, 12, 14, 16) gemessenen aktuellen Hall-Signals des aktuellen Magnetfelds des Magnetfelderzeugers (5) mit dem Kalibrier-Hall-Signal aufweist.
Kommutierter elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (5) ein Permanentmagnet ist.
Kommutierter elektrischer Antrieb nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen mehrpoligen Permanentmagnet (5) symmetrisch zur Wellenmitte (9) und einen linearen Hall-Sensor (11) neben der Wellenmitte (9).
Kommutierter elektrischer Antrieb nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen mehrpoligen Permanentmagnet (5) symmetrisch zur Wellenmitte (9) und einen planaren Hall-Sensor (12) auf der Wellenmitte (9).
Kommutierter elektrischer Antrieb nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen mehrpoligen Permanentmagnet (5) symmetrisch zur Wellenmitte (9), einen AMR Sensor auf der Wellenmitte (9) und einen linearen Hall-Sensor neben der Wellenmitte (9).
Kommutierter elektrischer Antrieb nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen mehrpoligen Permanentmagnet (5) symmetrisch zur Wellenmitte (9), einen AMR Sensor auf der Wellenmitte (9) und einen planaren Hall-Sensor neben dem AMR Sensor.
Kommutierter elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (5) ein weichmagnetisches Blech ist und ein Permanentmagnet ortsfest zum Stator des Elektromotors derart angeordnet ist, dass der Magnetfelderzeuger eine Störung des Magnetfelds des ortsfesten Permanentmagneten erzeugt.
Verfahren zur Ansteuerung eines kommutierten Elektromotors mit einer Sensoranordnung, die einen Magnetfelderzeuger auf einer Welle des Elektromotors und einen analogen Hall-Sensor ortsfest zum Stator des Elektromotors gegenüber dem Magnetfelderzeuger aufweist, mit den Schritten a) Kalibrieren der Sensoranordnung mittels Erfassen und Speichern eines mit dem Hall-Sensor gemessenen Kalibrier-Hall-Signals des Magnetfelds des Magnetfelderzeugers unter vorbestimmten Umgebungsbedingungen über eine Wellendrehung; b) Erzeugen eines aktuellen Hall-Signals des aktuellen Magnetfelds des Magnetfelderzeugers durch den Hall-Sensor; c) Vergleichen des Hall-Signals mit dem Kalibrier-Hall-Signal; d) Ermitteln von Abweichungen des aktuellen Magnetfelds des Magnetfelderzeugers von dem Magnetfeld unter vorbestimmten Umgebungsbedingungen; e) Ermitteln der Winkellage des Elektromotors aus dem Hall-Signal und den ermittelten Abweichungen des aktuellen Magnetfelds; f) Ansteuern des kommutierten Elektromotors aufgrund der Daten der ermittelten Winkellage.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (5) ein Permanentmagnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (5) ein weichmagnetisches Blech ist und ein Permanentmagnet ortsfest zum Stator des Elektromotors derart angeordnet ist, dass der Magnetfelderzeuger eine Störung des Magnetfelds des ortsfesten Permanentmagneten erzeugt
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Ermittlung der Entmagnetisierung des Permanentmagneten aus den ermittelten Abweichungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch ein Erzeugen eines Indikatorsignals bei zu geringer gemessener magnetischer Feldstärke des Permanentmagneten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei einem Elektromotor, der weiterhin einen AMR Sensor aufweist, wobei das Signal des AMR Sensors zum Erreichen einer 360 Grad Eindeutigkeit verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch ein Kompensieren von magnetischen Störfeldern am Ort des Hall-Sensors durch Berücksichtigung bekannter Ströme durch Wicklungen des Elektromotors und bekannter Feldstärke des Permanentmagnetfeldes bei dem Kalibrieren und/oder bei dem Erzeugen des aktuellen Hall-Signals.