DE102009028582A1

DE102009028582A1 - Elektronisch kommutierter Elektromotor mit einer Rotorpositions-Prädiktion und einer Interpolation und Verfahren

Info

Publication number: DE102009028582A1
Application number: DE102009028582A
Authority: DE
Inventors: Siegbert Steinlechner; Jo Pletinckx
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-02-24
Also published as: US20120146561A1; JP5479593B2; CN102474211A; CN102474211B; EP2467930A1; WO2011020682A1; JP2013502200A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor. Der elektronisch kommutierte Elektromotor weist einen Stator und einen insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf. Der Elektromotor weist auch eine Steuereinheit auf, welche mit dem Stator wirkverbunden und ausgebildet ist, Steuersignale zum Kommutieren des Stators derart zu erzeugen, dass der Stator ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors erzeugen kann. Der Elektromotor weist auch wenigstens einen Rotorpositionssensor auf, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition, insbesondere eine Winkelposition, des Rotors zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, die Steuersignale in Abhängigkeit von dem Rotorpositionssignal zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgebildet, das Rotorpositionssignal abzutasten, zu quantisieren und ein digitales Rotorpositionssignal zu erzeugen. Das digitale Rotorpositionssignal bildet einen zeitlichen Datenstrom, welcher dem abgetasteten und quantisierten Rotorpositionssignal entspricht, wobei die Steuereinheit einen Interpolator aufweist, welcher ausgebildet ist, wenigstens einen zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Rotorpositionswerten liegenden Zwischenwert in dem digitalen Rotorpositionssignal zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor. Der elektronisch kommutierte Elektromotor weist einen Stator und einen insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf. Der Elektromotor weist auch eine Steuereinheit auf, welche mit dem Stator wirkverbunden und ausgebildet ist, Steuersignale zum Kommutieren des Stators derart zu erzeugen, dass der Stator ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors erzeugen kann. Der Elektromotor weist auch wenigstens einen Rotorpositionssensor auf, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition, insbesondere eine Winkelposition, des Rotors zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, die Steuersignale in Abhängigkeit von dem Rotorpositionssignal zu erzeugen.
Aus der DE 103 32 381 A1 ist ein Elektromotor bekannt, bei dem eine Rotorlage eines Rotors sensorlos erfasst wird und ein Stromverlauf von Wicklungsströmen zum Drehbewegen des Rotors über eine Rotor-Drehung kontinuierlich ohne abrupte Sprünge verläuft und keine Stromlücken zur sensorlosen Rotorlage-Erfassung aufweist.
Bei schnell drehenden elektronisch kommutierten Elektromotoren besteht das Problem, dass während eines Betriebes des Elektromotors die Rotorpositionserfassung mit einer hohen Erfassungsfrequenz durchgeführt werden muss, wenn während einer Rotorumdrehung ein häufiger Wechsel eines Kommutierungsmusters erfolgen soll. Die Steuereinheit des Elektromotors muss dann dazu eine entsprechend hohe Rechenkapazität aufweisen.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit des elektronisch kommutierten Elektromotors der eingangsgenannten Art ausgebildet, das Rotorpositionssignal abzutasten und zu quantisieren, und ein digitales Rotorpositionssignal zu erzeugen. Das digitale Rotorpositionssignal bildet einen zeitlichen Datenstrom, welcher dem abgetasteten und quantisierten Rotorpositionssignal entspricht, wobei die Steuereinheit einen Interpolator aufweist, welcher ausgebildet ist, wenigstens einen zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Rotorpositionswerten liegenden Zwischenwert in dem digitalen Rotorpositionssignal zu erzeugen. Durch den Interpolator kann eine Abtastfrequenz eines das insbesondere analoge Rotorpositionssignal abtastenden und quantisierenden Analog-Digital-Wandlers vorteilhaft kleiner sein als ohne den Interpolator. dadurch kann eine Rechenleistung der Steuereinheit, welche beispielsweise durch ein FPGA oder ein ASIC gebildet ist, vorteilhaft kleiner sein als ohne den Interpolator.
Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, das digitale Rotorpositionssignal als digitales Prädiktions-Rotorpositionssignal zu erzeugen, wobei das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal, insbesondere der zeitliche Datenstrom, wenigstens einen oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausführende Rotorpositionswerte umfasst. Bevorzugt ist der Interpolator ausgebildet, den Zwischenwert zwischen zwei zukünftigen Rotorpositionswerten zu erzeugen. Durch das so gebildete Prädiktions-Rotorpositionssignal kann vorteilhaft die Rotorposition für eine aktuelle Rotorposition, oder für zukünftige Rotorpositionen zum Kommutieren des Elektromotors zur Verfügung stehen. Weiter vorteilhaft kann die so vorausgesagte Rotorposition zum Kommutieren des Elektromotors zur Verfügung stehen, bevor der Rotorpositionssensor, insbesondere ein Winkelsensor, nach Wandlung eines beispielsweise analogen Rotorpositionssignals in ein digitales Rotorpositionssignal, das so gewandelte Rotorpositionssignal zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung stellen kann.
Der Rotorpositionssensor ist bevorzugt ein Winkelsensor. Der Winkelsensor ist beispielsweise ein Giant-Magneto-Resisistiver-Sensor (GMR-Sensor) oder ein Anisotroper-Magneto-Resisitiver-Sensor (AMR-Sensor). In einer anderen Ausführungsform weist der Elektromotor beispielsweise eine Mehrzahl von Hall-Sensoren auf, welche jeweils ausgebildet sind, ein insbesondere analoges Rotorpositionssignal zu erzeugen. Bevorzugt ist der Winkelsensor, insbesondere der GMR-Sensor oder AMR-Sensor, ausgebildet, ein zeitkontinuierliches, bevorzugt zeitkontinuierlich eine absolute Rotorposition repräsentierendes, insbesondere analoges Rotorpositionssignal zu erzeugen. Eine Winkelauflösung des Winkelsensors ist dann durch eine Abtastrate eines das analoge Rotorpositionssignal analog-zu-digital wandelnden Analog-Digital-Wandlers bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, das insbesondere digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors erfassten Rotorpositionen insbesondere gemäß einem Prinzip FIFO (FIFO = First-In-First-out) zu korrigieren. Dazu kann das Prädiktions-Rotorpositionssignal beispielsweise durch eine vorbestimmte Anzahl von Rotorpositionswerten gebildet sein, wobei die Rotorpositionswerte mit jedem neuen von dem Winkelsensor erfassten – weiter bevorzugt zusätzlich von einem Analog-Digitalwandler gewandelten – Rotorpositionswert nach dem Prinzip FIFO aktualisiert werden. Damit kann vorteilhaft die Kommutierung des Elektromotors auch mit nicht-stationären Bewegungsmustern erfolgen. Beispielsweise kann die Steuereinheit während einer Rotorumdrehung eine Vielzahl zueinander verschiedener Kommutierungsmuster auf den Stator beaufschlagen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal mittels einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals als zu approximierende Ausgangsfunktion zu erzeugen. Dadurch kann vorteilhaft das mittels des Rotorpositionssensors erzeugte Rotorpositionssignal für zukünftige Rotorpositionen vorteilhaft geschätzt werden.
Bevorzugt ist die Approximationsfunktion ein Polynom, insbesondere wenigstens zweiten Grades oder genau zweiten oder dritten Grades. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele für eine Approximationsfunktion sind eine Spline-Funktion oder eine Exponentialfunktion.
Die Steuereinheit weist in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Zeitgeber auf, und ist ausgebildet, in Abhängigkeit eines von dem Zeitgeber erzeugten Zeitsignals das Prädiktions-Rotorpositionssignal zu erzeugen, wobei eine Taktfrequenz des Zeitgebers größer ist als eine Folgefrequenz aufeinander folgender Rotorpositionswerte des digitalen Rotorpositionssignals, und den Stator in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals zu kommutieren. Dadurch kann der Stator vorteilhaft in Abhängigkeit von Interpolationswerten des Prädiktions-Rotorpositionssignals kommutiert werden.
Bevorzugt kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, den Kommutierungszeitpunkt zu einem bevorzugt zukünftigen Rotorpositionswert des Prädiktions-Rotorpositionssignals zu ermitteln, und weiter bevorzugt den Stator an einem zukünftigen Rotorpositionswert zu kommutieren.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors, insbesondere des zuvor beschriebenen Elektromotors. Bei dem Verfahren wird mittels eines Rotorpositionssensors eine Rotorposition erfasst und ein der Rotorposition entsprechendes Rotorpositionssignal erzeugt. Weiter wird bei dem Verfahren bevorzugt das Rotorpositionssignal abgetastet und quantisiert, und ein insbesondere digitales, einen zeitlichen Datenstrom bildendes Prädiktions-Rotorpositionssignal erzeugt. Das Prädiktions-Rotorpositionssignal repräsentiert das abgetastete und quantisierte Rotorpositionssignal und umfasst wenigstens einen, oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausreichende Rotorpositionswerte.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors erfassten Rotorpositionen korrigiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens wird das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal durch Bilden einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals als Ausgangsfunktion erzeugt. Die Ausgangsfunktion ist dabei die zu approximierende Funktion, welche Stützstellen zum Erzeugen der Approximationsfunktion bilden kann. Dadurch kann das Prädiktions-Rotorpositionssignal auch über einen durch die Stützstellen gebildeten – beispielsweise mittels des Rotorpositionssignals gebildeten, oder aus diesem erzeugten – Bereich hinaus extrapoliert sein. Die Approximationsfunktion ist bevorzugt eine Polynomfunktion zweiten oder dritten Grades.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals nach Ablauf eines Zeitintervalls ein Kommutieren des Stators, wobei der Ablauf einem vorbestimmten Kommutierungszeitpunkt entspricht. Bevorzugt erfolgt das Kommutieren mittels wenigstens eines, bevorzugt vorbestimmten, Kommutierungsmusters. Dadurch kann das Kommutieren vorteilhaft bereits vor einem Vorliegen eines mittels des Rotorpositionssensors erzeugten Rotorpositionswertes erfolgen.
Bei dem Verfahren erfolgt ein Ermitteln des zukünftigen Rotorpositionswertes in Abhängigkeit der Approximationsfunktion, beispielsweise des Polynoms, der Splinefunktion oder einer anderen geeigneten Approximationsfunktion. Die dazu notwendigen Multiplikationen können vorteilhaft durch eine entsprechend schnelle Recheneinheit erfolgen.
Die Steuereinheit kann beispielsweise ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder ein FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array), oder ein ASIC (ASIC = Application-Specific-Integrated-Circuit) sein. Die Steuereinheit wird beispielsweise durch ein Steuerprogramm gesteuert, welches auf einem Datenträger gespeichert ist und zusammen mit dem Datenträger ein Computer-Programmprodukt bildet.
Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinheit gemäß der vorbeschriebenen Art für einen Elektromotor der vorbeschriebenen Art. Die Steuereinheit weist dann keinen Rotor und keinen Stator auf und ist ausgebildet, mit einem Stator eines Elektromotors verbunden zu werden.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den zuvor beschriebenen Merkmalen, sowie den in der Figurenbeschreibung angegebenen Merkmalen, und den in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch kommutierten Elektromotor mit der erfindungsgemäßen Steuereinheit;
2 zeigt ein Verfahren zum Betreiben des in 1 dargestellten Elektromotors;
3 zeigt ein Diagramm, welches die Arbeitsweise des in 1 dargestellten Elektromotors sowie das in 2 dargestellte Verfahren verdeutlicht.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch kommutierten Elektromotor 1. Der Elektromotor 1 weist einen Stator 10 mit drei Statorspulen, nämlich eine Statorspule 12, eine Statorspule 14 und eine Statorspule 16 auf. Der Stator 10 weist auch einen Winkelsensor auf, welcher ein beispielsweise analoges Rotorpositionssignal erzeugen kann. Der Winkelsensor 18 ist ausgebildet, eine Rotorposition eines Rotors 11 des Elektromotors 1 zu erfassen. Der Winkelsensor 18 ist mittels einer Verbindung 50 mit einer Steuereinheit 30 des Elektromotors 1 verbunden. Die Steuereinheit 30 weist einen Analog-Digital-Wandler 27 auf, welcher eingangsseitig mit der Verbindung 50 und so mit dem Winkelsensor 18 verbunden ist. Eine Winkel-Auflösung des Winkelsensors ist im Falle des analogen, insbesondere zeitkontinuierlich gebildeten Rotorpositionssignals durch eine Abtastrate des Analog-Digitalwandlers bestimmt. Der Analog-Digital-Wandler 27 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 54 mit einem Polynomerzeuger 29 verbunden.
Der Analog-Digitalwandler 27 ist ausgebildet, das eingangsseitig über die Verbindung 50 empfangene Rotorpositionssignal abzutasten und eine zeitliche Folge von Abtastwerten zu erzeugen, welche jeweils einen Amplitudenwert des Rotorpositionssignals repräsentieren. Der Analog-Digitalwandler 27 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 54 mit einem Polynomerzeuger 29 verbunden. Der Polynomerzeuger 29 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von den über die Verbindungsleitung 54 empfangenen, – die Rotorposition des Rotors 11 repräsentierenden – Abtastwerten eine Approximationsfunktion zu erzeugen, welche einen durch die Abtastwerte stellenweise repräsentierten Kurvenzug wenigstens näherungsweise repräsentiert.
Der Polynomerzeuger ist vorzugsweise ausgebildet, die Approximationsfunktion mittels einer Methode des kleinsten Fehlerquadrats zu erzeugen.
Die Approximationsfunktion ist bevorzugt ein Polynom, insbesondere ein Polynom zweiten oder dritten Grades. Denkbar ist auch – insbesondere in Abhängigkeit einer benötigten Rechenzeit des Polynomerzeugers – ein Polynom mehr als dritten Grades.
Der Polynomerzeuger 29 ist ausgebildet, Polynom-Koeffizienten der zuvor ermittelten Approximationsfunktion, insbesondere des Polynoms zu bestimmen und wird diese ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 56 an einen Koeffizientenspeicher 32ausgeben. Dazu weist der Polynomerzeuger 29 beispielsweise für jeden Polynomkoeffizienten ein FIR-Filter auf, in diesem Ausführungsbeispiel drei beispielhaft dargestellte FIR-Filter 36, 38 und 39. Der Koeffizientenspeicher 32 ist ausgebildet, die von dem Polynomerzeuger 29 erzeugten Polynom-Koeffizienten vorrätig zu halten. Der Koeffizientenspeicher 32 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 58 mit einem Prädiktor 34 verbunden. Der Prädiktor 34 ist ausgebildet, die in dem Koeffizientenspeicher 32 gespeicherten Koeffizienten über die Verbindungsleitung 58 auszulesen, und einen zeitlich aufeinander folgenden, Rotorpositionswerte repräsentierenden Datenstrom zu erzeugen und diesen ausgangsseitig über die Verbindungsleitung 60 an eine Steuereinheit 42 auszugeben. Der Datenstrom umfasst dabei zeitlich aufeinander folgende zukünftige Rotorpositionswerte – in diesem Ausführungsbeispiel punktiert dargestellt –, welche jeweils eine zukünftige, von dem Winkelsensor 18 noch nicht erfasste Rotorposition – insbesondere mit einer höheren Winkelauflösung als das von dem Analog-Digital-Wandler erzeugte digitale Rotorpositionssignal – repräsentieren. Der Datenstrom bildet in diesem Ausführungsbeispiel das vorab erwähnte Prädiktions-Rotorpositionssignal.
Die Approximationsfunktion, insbesondere das Polynom, kann beispielsweise wie folgt gebildet sein:
mit

ye,n(Δn): = Prädiktorpolynom als Approximationsfunktion;
n: = Abtastwert, ganze Zahl oder Zahl < 1;
Ta: = Abtastperiode;
g: = Grad des Polynoms;
a: = Polynomkoeffizient.

Die Steuereinheit 42 ist mit einem Zeitgeber 40 verbunden und ist ausgebildet, wenigstens in Abhängigkeit von dem über die Verbindungsleitung 60 empfangenen Prädiktions-Rotorpositionssignal den Stator 10 zu kommutieren.
Die Steuereinheit 42 ist ausgangsseitig über einen Verbindung 53 mit einer Leistungsendstufe 25 des Elektromotors 1 verbunden. Die Steuereinheit 42 ist ausgebildet, die Leistungsendstufe 25 zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes mittels der Statorspulen 12, 14 und 16 anzusteuern. Die Leistungsendstufe 25 ist dazu ausgangsseitig über eine Verbindung 52 mit dem Stator 10, und dort mit den Statorspulen 12, 14 und 16 verbunden. Die Steuereinheit 42 ist ausgebildet, in Abhängigkeit des von dem Zeitgeber 40 empfangenen, insbesondere hochauflösenden Zeitsignals die Kommutierungszeitpunkte zum Kommutieren des Stators 10 genau zu bestimmen. Die Steuereinheit 42 ist eingangsseitig über eine bidirektionale Verbindung 61 mit einem Speicher 62 verbunden. In dem Speicher 62 sind zueinander verschiedene Bestromungsmuster vorrätig gehalten, von denen ein Bestromungsmuster 62 beispielhaft bezeichnet ist. Beispielsweise kann die Steuereinheit 42 in Abhängigkeit von dem Prädiktions-Rotorpositionssignal ein Bestromungsmuster der in dem Speicher vorrätig gehaltenen auszuwählen und den Stator 10 gemäß dem Bestromungsmuster zum Erzeugen des Drehfeldes zu bestromen.
Der Polynomerzeuger 29 kann vorteilhaft für jeden Polynom-Koeffizienten der in dem Koeffizientenspeicher 32 vorrätig gehaltenen Polynom-Koeffizienten ein FIR-Filter (FIR = Finite-Impulse-Response) aufweisen.
Die Steuereinheit 42 ist auch eingangsseitig über die Verbindungsleitung 54 mit dem Analog-Digitalwandler 27 verbunden und kann von dem Analog-Digitalwandler das digitalisierte Rotorpositionssignal empfangen.
Die Steuereinheit 42 ist ausgebildet, die Leistungsendstufe 35 zum Kommutieren der Statorspulen in Abhängigkeit von den von dem Prädiktor 34 errechneten Rotorpositionswerten entsprechend anzusteuern. Eine zeitliche Folgefrequenz der Rotorpositionswerte des vom Prädiktor erzeugten Rotorpositionssignals ist dabei größer als die Folgefrequenz des von dem Analog-Digital-Wandler erzeugten digitalen Rotorpositionssignals.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Kommutieren eines elektronisch kommutierten Elektromotors. Bei dem Verfahren wird in einem Schritt 70 eine Rotorposition eines Rotors des elektronisch kommutierten Elektromotors insbesondere mittels eines Winkelsensors erfasst und ein Rotorpositionssignal erzeugt, welches wenigstens eine Rotorposition des Rotors repräsentiert. In einem Schritt 72 wird das Rotorpositionssignal mittels eines Analog-Digitalwandlers digitalisiert und ein digitalisiertes Rotorpositionssignal erzeugt. In einem Schritt 74 wird in Abhängigkeit des digitalisierten Rotorpositionssignals ein Polynom erzeugt, welches die digitalisierten Rotorpositionswerte wenigstens näherungsweise approximiert. In einem Schritt 76 werden Polynom-Koeffizienten zwischengespeichert, welche das zuvor gebildete Polynom repräsentieren. In einem Schritt 78 wird mittels eines Prädiktors ein Polynom in Abhängigkeit der zuvor erzeugten Polynom-Koeffizienten gebildet und in Abhängigkeit des Polynoms ein Datenstrom erzeugt, welcher Rotorpositionswerte in einem Zeitbereich umfasst, in welchem die von dem Winkelsensor erfassten Rotorpositionswerte liegen, und zusätzlich dazu zukünftige Rotorpositionswerte aufweist, welche von dem Winkelsensor noch nicht erfasst worden sind und/oder durch das von dem Analog-Digitalwandler 24 erzeugte Signal noch nicht repräsentiert sind. Weiter umfasst der Datenstrom in diesem Ausführungsbeispiel durch Interpolieren erzeugte Rotorpositionswerte, so dass eine zeitliche Taktrate der aufeinander folgenden Rotorpositionswerte des Datenstroms größer ist als eine Abtastrate beim Analog-Digital-Wandeln. In einem Schritt 80 wird in Abhängigkeit von dem Datenstrom ein Kommutierungsmuster ausgewählt und in einem Schritt 82 der Stator mit dem Kommutuierungsmuster bestromt.
3 zeigt ein Diagramm 90. Das Diagramm 90 weist eine Zeitachse 91 und eine Amplitudenachse 92 auf.
Das Diagramm 90 zeigt eine Kurve 95, welche Abtastwerte 101, 102, 104, 106, 108, 110 und 112 miteinander verbindet. Die Kurve 95 entspricht einem Polynom, welches beispielsweise mittels des in 1 dargestellten Polynomerzeugers 29 erzeugt worden ist, und welches einen Rotorpositionsverlauf repräsentiert. Das Polynom 95 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Polynom dritten Grades.
Dargestellt sind auch Rotorpositionswerte 101, 103, 105, 107, 109, 111 und 113.
Der Rotorpositionswert 101 ist von dem Winkelsensor, so beispielsweise von dem in 1 dargestellten Winkelsensor 18 erfasst worden.
Dargestellt sind auch ein Zeitintervall 96 und ein Zeitintervall 98. Das Zeitintervall 96 repräsentiert eine Abtastperiode eines Analog-Digital-Wandlers, beispielsweise des in 1 dargestellten Analog-Digital-Wandlers 27.
Die Rotorpositionswerte 100, 102, 104, 106, 108 110 und 112 sind jeweils zu vorangehenden und zu nachfolgenden Rotorpositionswerten durch das Zeitintervall 96 beabstandet.
Der Rotorpositionswert 101 folgt nach dem Zeitintervall 98 auf den Rotorpositionswert 100. Der Rotorpositionswert 103 folgt nach dem Zeitintervall 98 auf den Rotorpositionswert 102. Das Zeitintervall 98 repräsentiert dabei eine Rechenzeit, die der Analog-Digitalwandler benötigt, um die Digitalisierung der von dem Winkelsensor gesendeten Rotorpositionssignale durchzuführen.
Der Steuereinheit – beispielsweise der Steuereinheit 30 in 1 – steht somit zur weiteren Signalverarbeitung und zur Steuerung der Kommutierungszeitpunkte die von dem Winkelsensor erfassten Rotorpositionssignale in digitalisierter Form später – in diesem Beispiel um das Zeitintervall 98 verzögert – zur Verfügung, als diese von dem Winkelsensor erfasst worden sind. Dargestellt sind die Kommutierungszeitpunkte 115 und 117. Der Kommutierungszeitpunkt 115 ist von dem Rotorpositionswert 102 um das Zeitintervall 99 beabstandet. Das Zeitintervall 99 ist kürzer als das Zeitintervall 98, so dass der Kommutierungszeitpunkt 115 nach dem Vorliegen des digitalen Rotorpositionswertes 103 – welcher der Rotorposition des Rotorpositionswertes 102 entspricht – erfolgt. Dargestellt sind auch jeweils eine Rotorposition repräsentierende Zwischenwerte 118, 119 und 120, welche von dem Interpolator erzeugt worden sind.
Durch das Erzeugen des Prädiktorpolynoms und das Vorhersagen der zukünftigen Rotorpositionswerte, welche von dem Winkelsensor noch nicht erfasst worden sind, kann vorteilhaft eine Abtastfrequenz zum Erfassen einer Rotorposition des Rotors niedriger sein, als ohne die Vorhersage mittels des Prädiktor-Polynoms. Weiter vorteilhaft wird die niedrige Abtastfrequenz des Abtastens des Rotorpositionssignals. durch das Erzeugen der Zwischenwerte mittels Interpolation kompensiert oder verbessert.
Wenn beispielsweise die Rotorpositionswerte 100, 102, 104 und 106 von dem Winkelsensor erfasst worden sind, so können der Rotorpositionswert 108, der Rotorpositionswert 110 und der Rotorpositionswert 112, sowie die Zwischenwerte 118, 119, 120 mittels des Prädiktor-Polynoms erzeugt worden sein.
In einem weiteren Verlauf des Verfahrens zum Kommutieren des Elektromotors kann die Steuereinheit, beispielsweise die Steuereinheit 42 in 1, die mittels des Prädiktors erzeugten Rotorpositionswerte 108, 110 und 112 mit denen von dem Winkelsensor erfassten Rotorpositionswerte 109, 111 beziehungsweise 113 vergleichen und zum Bilden eines weiteren Polynomverlaufs des Prädiktor-Polynoms heranziehen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Prädiktor 120, welcher beispielsweise anstelle des in 1 gezeigten Prädiktors 34 Bestandteil des Elektromotors 1 sein kann. Der Prädiktor 120 weist einen Eingang 124 und einen Ausgang 129 auf. Der Eingang 124 ist mit dem in 1 bereits dargestellten Zeitgeber 40 verbunden. Der Eingang 124 ist über eine Verbindungsleitung 121 mit einem Multiplizierer 126 und einem Multiplizierer 128 verbunden. Der Multiplizierer 126 ist eingangsseitig auch mit einem Addierer 123 verbunden. Der Addierer 123 ist eingangsseitig mit einer Verbindung 131und über die Verbindung 131 mit einem Eingang 132 verbunden. Der Addierer 123 kann über den Eingang 132 einen Polynom-Koeffizienten empfangen, in diesem Ausführungsbeispiel einen Polynom-Koeffizienten a₂ eines Polynoms zweiten Grades.
Der Multiplizierer 146 ist ausgangsseitig mit einem Addierer 125 verbunden. Der Addierer 125 ist eingangsseitig mit dem Multiplizierer 126, und auch eingangsseitig mit der mehrkanalig ausgebildeten Verbindung 131 verbunden. Der Addierer 125 kann über die mehrkanalige Verbindung 131 und so von dem Eingang 132 einen Polynom-Koeffizienten empfangen, in diesem Ausführungsbeispiel einen Polynom-Koeffizienten a₁ des Polynoms zweiten Grades. Der Addierer 125 ist ausgangsseitig mit dem Multiplizierer 128 verbunden. Der Multiplizierer 128 ist ausgangsseitig mit einem Addierer 127 verbunden. Der Addierer 147 ist eingangsseitig mit dem Multiplizierer 128 und auch eingangsseitig mit dem Eingang 132 über die Verbindung 131 verbunden, und kann über die Verbindung 131 einen Polynom-Koeffizienten, in diesem Ausführungsbeispiel einen Polynom-Koeffizienten a₀ des Polynoms zweiten Grades empfangen. Der Addierer 127 ist ausgangsseitig mit dem Ausgang 129 verbunden. Der Prädiktor 120 kann beispielsweise bei einem Betrieb von dem Zeitgeber 41 über den Eingang 124 ein insbesondere rampenförmiges Zeittaktsignal 43 empfangen, dessen Taktfrequenz ein Vielfaches einer von dem Analog-Digital-Wandler 27 während des Analog-Digital-Wandelns verwendeten Abtastfrequenz beträgt. Das Zeittaktsignal ist beispielsweise rampenförmig ausgebildet und weist für jeden Takt der Abtastperiode des Analog-Digital-Wandelns eine vorbestimmte Zahl von Rampenstufen auf. Mit jeder an dem Eingang 124 empfangenen Zeittaktperiode, insbesondere Rampenstufe, des Zeittaktsignals 43 multipliziert der Multiplizierer 126 ein von dem Addierer 123 empfangenes Ausgangssignal mit dem Zeittaktsignal und gibt ausgangsseitig ein Multiplikationsergebnis an den Addierer 125 aus. Der Addierer 121 addiert das von dem Multiplizierer 126 empfangene Multiplikationsergebnis mit dem von dem Eingang 132 empfangenen Polynom-Koeffizienten a₁ und gibt ausgangsseitig ein entsprechendes Additionsergebnis an den Multiplizierer 128 auf. Der Multiplizierer 128 multipliziert das vom dem Addierer 125 empfangene Additionsergebnis mit dem Taktsignal, welches auch der Multiplizierer 126 von dem Eingang 124 empfangen hat. Der Multiplizierer 128 erzeugt ein entsprechendes Multiplikationsergebnis und gibt dieses ausgangsseitig an einen Addierer 127 aus. Der Addierer 127 addiert das von dem Multiplizierer 128 erzeugte Multiplikationsergebnis mit einem Polynom-Koeffizienten a₀, den der Addierer 127 von dem Eingang 132 über die Verbindung 131 empfangen hat. Der Addierer 127 kann dann das Additionsergebnis an den Ausgang 129 – als Prädiktions-Rotorpositionssignal – ausgeben. Der Addierer 123 kann eingangsseitig – punktiert dargestellt – im Falle eines Polynoms mehr als zweiten Grades mit wenigstens einem weiteren Multiplizierer verbunden sein. Der Eingang 132 ist beispielsweise mit der in 1 dargestellten Verbindungsleitung 58 und so mit dem Koeffizientenspeicher 32 verbunden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Prädiktor 130. Der Prädiktor 130 kann beispielsweise den Prädiktor 34 in 1 ersetzen. Der Prädiktor 130 weist – im Gegensatz zu dem Prädiktor 120 in 4 – keine Multiplizierer auf und kann somit aufwandsgünstig – beispielsweise mittels eines ASIC – bereitgestellt werden.
Der Prädiktor 130 weist einen Eingang 135 und einen Ausgang 165 auf und ist mit einem Zeitgeber 134 verbunden.
Der Prädiktor 130 weist eine Mehrzahl, insbesondere zusammen eine Kaskade bildende Integratoren auf. Die Integratoren weisen jeweils einen Addierer und einen Speicher auf. Dargestellt ist ein Addierer 132, welche ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 152 mit einem Speicher 133 verbunden ist. Der Speicher 133 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 154 mit einem weiteren Addierer 136 verbunden. Der Speicher 133 ist auch ausgangsseitig über eine rückkoppelnde Verbindungsleitung 150 mit dem Addierer 132 verbunden. Der Addierer 132 bildet zusammen mit dem Speicher 133 einen Integrator.
Der Speicher 133 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 154 mit dem Addierer 136 verbunden. Der Addierer 136 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 156 mit einem Speicher 137 verbunden. Der Speicher 137 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 158 rückkoppelnd mit dem Addierer 136 verbunden. Der Speicher 147 ist ausgangsseitig auch über eine Verbindungsleitung 160 mit einem Addierer 138 verbunden. Der Addierer 138 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 162 mit dem Ausgang 165 verbunden.
Der Addierer 138, der Addierer 136 und der Addierer 132 sind jeweils eingangsseitig auch mit einem Eingang 135 verbunden und können über den Eingang 135 Polynom-Koeffizienten empfangen. Der Prädiktor 130 kann über den Eingang 135 beispielsweise mit dem in 1 dargestellten Koeffizientenspeicher 32 verbunden sein und von dem Koeffizientenspeicher 32 die Polynom-Koeffizienten empfangen.
Die Polynom-Koeffizienten können von dem Polynomerzeuger 29 beispielsweise wie folgt, insbesondere in Abhängigkeit der Abtastrate des Analog-Digitalwandlers 27 in 1, erzeugt werden:
mit

b0, b1, b2,: taktabhängige Polynomkoeffizienten
L: = Vielfaches der Abtastfrequenz T_a des Analog-Digitalwandlers 27 in 1

Die mittels des Prädiktors 130 gebildete Recheneinheit kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder ein FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array), oder ein ASIC (ASIC = Application-Specific-Integrated-Circuit) verwirklicht sein. Die Verbindung zwischen dem Eingang 134 und dem Addierer 132 ist teilweise punktiert dargestellt. Dies bedeutet, dass der Prädiktor 130 beispielsweise zum Errechnen eines Polynoms höheren Grades weitere Integratoren aufweisen kann, welche mit dem Addierer 132 verbunden sind. Der Prädiktor 130 ist eingangsseitig auch mit einem Zeitgeber 134 verbunden. Der Zeitgeber 134 ist beispielsweise ausgebildet, ein Zeitsignal zu erzeugen, welches eine insbesondere L-fach höhere Taktrate aufweist als eine von dem Analog-Digital Wandler 27 verwendete Abtastrate.
Die Integratoren des Prädiktors 130 sind jeweils mit dem Zeitgeber 134 verbunden und führen jeweils eine Rechenoperation mit dem von dem Zeitgeber 134 vorgegebenen Zeittakt aus. Die Polynom-Koeffizienten b₀, b₁ und b₂ werden von dem Eingang 135 mit dem Zeittakt der Abtastfrequenz zur Verfügung gestellt. Der Zeitgeber 134 ist beispielsweise ausgebildet, den Zeittakt zum Takten der Integratoren gemäß der folgenden Vorschrift zu erzeugen:
mit

fTakt: = Taktfrequenz des Zeittaktes zum Takten der Integratoren,
Ta: = Abtastperiode, beispielsweise des Analog-Digitalwandlers 27 in 1
L: = Faktor, vorteilhaft als Potenz L = 2ⁿ

Vorteilhaft ist der Faktor L als Potenz zu einer Basis 2 gewählt. Die Divisionsoperationen zum Erzeugen der Polynom-Koeffizienten b₀, b₁ und b₂, weiter bevorzugt b_n, lassen sich so vorteilhaft mittels Additionsoperationen erzeugen. Der Prädiktor 130 kann so am Ausgang 165 das mittels der am Eingang 135 empfangenen Polynom-Koeffizienten erzeugte Polynom – als Prädiktions-Rotorpositionssignal – ausgeben. Der Ausgang 165 kann beispielsweise mit der in 1 dargestellten Verbindungsleitung 60 verbunden sein, so dass der Prädiktor 130 ausgangsseitig mit der Steuereinheit 42 verbunden ist. Die Steuereinheit 42 kann beispielsweise in Abhängigkeit des von dem Prädiktor 130 empfangenen Polynoms – als Prädiktions-Rotorpositionssignal – aus dem Speicher 65 ein Bestromungsmuster 62 auswählen, und den Stator 10 des Elektromotors 1 mittels der Leistungsendstufe 25 gemäß dem Bestromungsmuster bestromen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10332381 A1 [0002]

Claims

Elektronisch kommutierter Elektromotor (1), mit einem Stator (10) und einem insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor (11), und einer Steuereinheit (30), welche mit dem Stator wirkverbunden und ausgebildet ist, Steuersignale zum Kommutieren des Stators (10, 12, 14, 16) derart zu erzeugen, dass der Stator (10, 12, 14, 16) ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors (11) erzeugen kann, und der Elektromotor (1) wenigstens einen Rotorpositionssensor (18) aufweist, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition des Rotors (11) zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen, und die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, die Steuersignale in Abhängigkeit von dem Rotorpositionssignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, das Rotorpositionssignal abzutasten und zu quantisieren (27), und ein digitales Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) zu erzeugen, welches einen zeitlichen Datenstrom bildet, welcher dem abgetasteten und quantisierten Rotorpositionssignal entspricht, wobei die Steuereinheit einen Interpolator aufweist, welcher ausgebildet ist, wenigstens einen zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Rotorpositionswerten liegenden Zwischenwert (118, 119, 120) in dem digitalen Rotorpositionssignal zu erzeugen.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, das digitale Rotorpositionssignal als digitales Prädiktions-Rotorpositionssignal zu erzeugen, welches wenigstens einen oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausführende Rotorpositionswerte (108, 110, 112) umfasst und der Interpolator (34) ausgebildet ist, den Zwischenwert (118, 119, 120) zwischen zwei zukünftigen Rotorpositionswerten (108, 110, 112) zu erzeugen.
Elektromotor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors (18) erfassten Rotorpositionen zu korrigieren.
Elektromotor (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) mittels einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals (100, 102, 104, 106) als Ausgangsfunktion zu erzeugen.
Elektromotor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Approximationsfunktion ein Polynom insbesondere wenigstens zweiten Grades ist.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) einen Zeitgeber (134) aufweist, und ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines von dem Zeitgeber (134) erzeugten Zeitsignals das Prädiktions-Rotorpositionssignals (95) zu erzeugen, wobei eine Taktfrequenz des Zeitgebers größer ist als eine Folgefrequenz aufeinanderfolgender Rotorpositionswerte des digitalen Rotorpositionssignals, und den Stator in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals (95) zu kommutieren (115, 117).
Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors mit einem Rotor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mittels eines Rotorpositionssensors (18) eine Rotorposition eines Rotors (11) erfasst wird und ein der Rotorposition entsprechendes Rotorpositionssignal erzeugt wird, und bei dem das Rotorpositionssignal abgetastet und quantisiert wird, und ein digitales, einen zeitlichen Datenstrom bildendes Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) erzeugt wird, welches das abgetastete und quantisierte Rotorpositionssignal repräsentiert, wobei mittels Interpolation wenigstens ein zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Rotorpositionswerten liegender Zwischenwert (118, 119, 120) in dem digitalen Rotorpositionssignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das digitale Rotorpositionssignal als digitales Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) erzeugt wird, welches wenigstens einen oder eine Mehrzahl von zukünftigen, über das Rotorpositionssignal zeitlich hinausführende Rotorpositionswerte (108, 110, 112) umfasst und der Interpolator ausgebildet ist, den Zwischenwert zwischen zwei zukünftigen Rotorpositionswerten zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) in Abhängigkeit von weiteren, mittels des Rotorpositionssensors erfassten Rotorpositionen gemäß einem Prinzip First-In-First-Out korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Prädiktions-Rotorpositionssignal durch Bilden einer Approximationsfunktion in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals als Ausgangsfunktion erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Approximationsfunktion eine Polynomfunktion insbesondere wenigstens zweiten Grades ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Approximationsfunktion eine Spline-Funktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Prädiktions-Rotorpositionssignals (95, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112) eine Kommutierung (115, 117) des Stators, bevorzugt mittels eines Kommutierungsmusters, erfolgt.