DE102009046923B4 - Verfahren, Vorrichtung und System zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels (φ) einer rotierenden Welle (300) mittels eines Resolvers,- wobei der Resolver umfasst:- mindestens eine erste Statorwicklung (100),- mindestens eine zweite Statorwicklung (101), deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der mindestens einen ersten Statorwicklung in einem rechten Winkel steht, und- mindestens eine Rotorwicklung (102), die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist,- wobei der Rotorwinkel mittels Rotorerregung oder Statorerregung bestimmt wird, mit folgenden Überwachungsschritten, die unabhängig von dem Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung durchgeführten werden:- Messen von Spannungsverläufen an der mindestens einen ersten Statorwicklung und/oder der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung,- Messen von Stromverläufen in die mindestens eine erste Statorwicklung und/oder die mindestens eine zweite Statorwicklung und/oder die mindestens eine Rotorwicklung und- Auswerten der gemessenen Spannungsverläufe und/oder der gemessenen Stromverläufe zum Überwachen des Bestimmens des Rotorwinkels,- wobei die gemessenen Spannungsverläufe und die gemessenen Stromverläufe zum mindestens einfach redundanten Bestimmen des Rotorwinkels ausgewertet werden, unabhängig von dem Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers sowie ein System
• Bei Maschinen, die mittels elektrischer Antriebe bewegt werden, dient häufig ein so genannter Resolver zur Bestimmung von Maschinenbewegungen, indem der Resolver einen Rotorwinkel bzw. eine Rotorwinkeländerung einer mit einem Elektromotor gekoppelten rotierenden Welle erfasst, wodurch eine Position eines Maschinenelements bestimmbar ist, welches mittels des elektrischen Antriebs bzw. der Welle bewegt wird.
• Resolver sind kostengünstige, magnetisch arbeitende Geber. Sie nutzen die winkelabhängige Kopplung zwischen mindestens einer Rotorwicklung und mindestens zwei Statorwicklungen. Typisch umfasst ein Resolver eine erste Statorwicklung, eine zweite Statorwicklung, deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der ersten Statorwicklung in einem rechten Winkel steht, und eine Rotorwicklung, die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist. Die beiden Statorwicklungen sind üblicherweise in einem Gehäuse eines Gebers fest angeordnet. Resolver liefern innerhalb einer doppelten Polteilung unmittelbar den Rotorwinkel. Aus der Winkeländerung ist die Drehzahl ermittelbar. Im Übrigen sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
• Bei sicherheitskritischen Anwendungen ist eine Diagnostizierbarkeit des verwendeten Gebersystems erforderlich. Um einen kostengünstigen Resolver als Geber bei sicherheitskritischen Anwendungen verwenden zu können, ist es daher notwendig, dass neben der Bestimmung des Rotorwinkels mittels des Resolvers eine Plausibilisierung bzw. Überwachung der Resolverfunktion erfolgt, um beispielsweise Fehlfunktionen bzw. Defekte des Resolvers erkennen zu können und für diesen Fall eine Abschaltung des elektrischen Antriebs zu bewirken.
• Die DE 27 32 024 A1 zeigt einen überwachbaren Winkelstellungssensor mit digitalem Ausgang.
• Die DE 10 2007 029 190 A1 zeigt eine Fehler-Detektoreinheit für eine Drehwinkel-Detektorvorrichtung.
• Die DE 101 62 196 A1 zeigt eine Positions- und Abnormitätserfassungsvorrichtung.
• Die DE 10 2005 001 702 A1 zeigt eine Drehmelderfehlfunktionsdiagnoseschaltung.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers sowie ein System zur Verfügung zu stellen, die eine zuverlässige und kostengünstig implementierbare Überwachung ermöglichen und insbesondere leicht in herkömmliche Systeme zur Winkelbestimmung mit Resolver integrierbar sind.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 6 und ein System nach Anspruch 7.
• Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren Wortlaut hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.
• Bei dem Verfahren zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers umfasst der Resolver mindestens eine erste Statorwicklung, typisch genau eine erste Statorwicklung, mindestens eine zweite Statorwicklung, typisch genau eine zweite Statorwicklung, deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der mindestens einen ersten Statorwicklung in einem rechten Winkel steht, und mindestens eine Rotorwicklung, typisch genau eine Rotorwicklung, die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist, wobei der Rotorwinkel mittels Rotorerregung oder Statorerregung bestimmt wird. Bei dem Resolver handelt kann es sich um einen herkömmlichen Resolver handeln, insoweit sei folglich auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Bei der Rotorerregung wird die Rotorwicklung mit einem Erregersignal beaufschlagt und die in den Statorwicklungen induzierten, rotorwinkelabhängigen Signale werden zum Bestimmen des Rotorwinkels ausgewertet. Bei der Statorerregung werden die Statorwicklungen mit Erregersignalen beaufschlagt und das in der Rotorwicklung induzierte, rotorwinkelabhängige Signal wird zum Bestimmen des Rotorwinkels ausgewertet. Die unabhängige Überwachung der Resolverfunktion erfolgt mittels folgender Überwachungsschritte, die unabhängig von dem Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung durchgeführten werden: Messen von zeitlichen Spannungsverläufen an der mindestens einen ersten Statorwicklung, und/oder an der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder an der mindestens einen Rotorwicklung, Messen von zeitlichen Stromverläufen in die mindestens eine erste Statorwicklung, und/oder in die mindestens eine zweite Statorwicklung und/oder in die mindestens eine Rotorwicklung und Auswerten der gemessenen Spannungsverläufe und/oder der gemessenen Stromverläufe zum Überwachen des Bestimmens des Rotorwinkels.
• Die gemessenen Spannungsverläufe und/oder die gemessenen Stromverläufe werden zum mindestens einfach redundanten Bestimmen des Rotorwinkels ausgewertet, unabhängig von dem Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung. Auf diese Weise kann eine Plausibilisierung bzw. Überwachung der Resolverfunktion erfolgen.
• In einer Weiterbildung werden die gemessenen Spannungsverläufe und/oder die gemessenen Stromverläufe zur Ermittlung eines Leitungsbruchs, eines Kurzschlusses und/oder eines mechanischen Defekts des Resolvers ausgewertet.
• In einer Weiterbildung umfassen die Überwachungsschritte weiter: Beaufschlagen der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung mit mindestens einem, insbesondere sinusförmigen, Testsignal mit einer Testfrequenz, beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 400Hz und 8kHz. Das Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung umfasst die Schritte: Beaufschlagen der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung mit mindestens einem, insbesondere sinusförmigen, Erregersignal mit einer Erregerfrequenz, die sich von der Testfrequenz unterscheidet, beispielsweise 4kHz, Filtern von Signalen, beispielsweise Bandpass-, Tiefpass und/oder Hochpassfiltern, die an der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung anstehen, sodass die gefilterten Signale im Wesentlichen ausschließlich Frequenzanteile in einem vorgegebenen Frequenzbereich um die Erregerfrequenz aufweisen, und Bestimmen des Rotorwinkels auf Basis der gefilterten Signale. Auf diese Weise kann die Resolverfunktion im Wesentlichen unbeeinflusst von der Überwachungsfunktion erfolgen, da der Beitrag des Testsignals durch Filtern eliminiert wird.
• In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren die Schritte: Messen eines Spannungsverlaufs U_S an der ersten Statorwicklung und Messen eines Stromverlaufs I_S in die ersten Statorwicklung, Messen eines Spannungsverlaufs U_c an der zweiten Statorwicklung und Messen eines Stromverlaufs I_c in die zweite Statorwicklung und Messen eines Spannungsverlaufs U_R an der Rotorwicklung und Messen eines Stromverlaufs I_R in die Rotorwicklung, Bestimmen des Rotorwinkels φ mittels der Gleichung $\text{tan}\phi =\frac{j\omega M\text{ sin}\phi }{j\omega M\text{ cos}\phi }=\frac{{\underset{\_}{U}}_S-j\omega L{\underset{\_}{I}}_S}{{\underset{\_}{U}}_C-j\omega L{\underset{\_}{I}}_C}\text{,}$

  

  erstes redundantes Bestimmen des Rotorwinkels φ mittels der Gleichung $\text{sin}\phi =\frac{1}{j\omega M{\underset{\_}{I}}_S}\left({\underset{\_}{U}}_R-j\omega L_R{\underset{\_}{I}}_R-\frac{{\underset{\_}{U}}_C-j\omega L{\underset{\_}{I}}_C}{{\underset{\_}{I}}_R}{\underset{\_}{I}}_C\right)$

  

  und zweites redundantes Bestimmen des Rotorwinkels φ mittels der Gleichung $\text{cos}\phi =\frac{1}{j\omega M{\underset{\_}{I}}_C}\left({\underset{\_}{U}}_R-j\omega L_R{\underset{\_}{I}}_R-\frac{{\underset{\_}{U}}_S-j\omega L{\underset{\_}{I}}_S}{{\underset{\_}{I}}_R}{\underset{\_}{I}}_S\right)\text{.}$

  

  Die Ströme und Spannungen sind in den Gleichungen als komplexe Größen bzw. Zahlen dargestellt und werden folglich hinsichtlich ihres Betrags und ihrer Phase, d.h. vektoriell, ausgewertet. M bezeichnet einen jeweiligen Kopplungsfaktor zwischen Rotor- und Statorwicklungen, L bezeichnet eine jeweilige Induktivität der Statorwicklungen und L_R bezeichnet eine Induktivität der Rotorwicklung. Es gilt ω = 2πf.
• In einer Weiterbildung wird der Rotorwinkel mittels Statorerregung bestimmt, wobei hierzu die erste Statorwicklung mit einem ersten Erregersignal in Form einer ersten sinusförmigen Wechselspannung mit einer ersten Erregerfrequenz und einer ersten Amplitude beaufschlagt wird und die zweite Statorwicklung mit einem zweiten Erregersignal in Form einer zweiten sinusförmigen Wechselspannung mit der Erregerfrequenz und einer zweiten Amplitude beaufschlagt wird, wobei die erste Amplitude und die zweite Amplitude mittels eines Reglers derart erzeugt werden, dass in der Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Wechselspannung keine Spannung induziert wird, wobei eine Stellgröße des Reglers den Rotorwinkel abbildet, und die erste Statorwicklung und/oder die zweite Statorwicklung derart mit dem Testsignal beaufschlagt wird/werden, dass in der Rotorwicklung aufgrund des Testsignals eine Spannung und/oder ein Strom induziert wird. Die Erregersignale dienen hierbei zur herkömmlichen Rotorwinkelbestimmung des Resolvers und werden im eingeschwungenen Zustand des Reglers derart erzeugt, dass sie keine Spannung in der Rotorwicklung induzieren. Dies bedeutet jedoch, dass der eingeschwungene Zustand nicht von einem Fehlerfall unterscheidbar ist, bei dem beispielsweise aufgrund eines Kabelbruchs oder eines Kurzschlusses die Rotorspannung ebenfalls dauerhaft verschwindet. Um derartige Fehlerfälle detektieren zu können, wird mittels des Testsignals, welches eine andere Frequenz als die Erregersignale aufweist, eine Spannung und/oder ein Strom in der Rotorwicklung induziert, wodurch beispielsweise Kabelbrüche, Kurzschlüsse etc. detektierbar werden. Da die Anteile des Testsignals mittels Filtern im Resolver im Wesentlichen unterdrückt werden, kann die Auswertung im Resolver herkömmlich durchgeführt werden, ohne dass Einflüsse des Testsignals berücksichtigt werden müssen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Durchführung des oben genannten Verfahrens ausgebildet und dient zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers. Der zu überwachende Resolver umfasst mindestens eine erste Statorwicklung, mindestens eine zweite Statorwicklung, deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der mindestens einen ersten Statorwicklung in einem rechten Winkel steht, und mindestens eine Rotorwicklung, die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist. Der Resolver ist dazu ausgebildet, den Rotorwinkel mittels Rotorerregung oder Statorerregung zu bestimmen. Die Vorrichtung umfasst zur Überwachung Mittel zum Messen von Spannungsverläufen an der mindestens einen ersten Statorwicklung, und/oder der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung, Mittel zum Messen von Stromverläufen in die mindestens eine erste Statorwicklung, und/oder die mindestens eine zweite Statorwicklung und/oder die mindestens eine Rotorwicklung und Mittel zum Auswerten der gemessenen Spannungsverläufe und/oder der gemessenen Stromverläufe zum Überwachen des Bestimmens des Rotorwinkels.
• Das System zum überwachten Bestimmen eines Rotorwinkels umfasst einen Resolver und die oben genannte Vorrichtung.
• In einer Weiterbildung umfasst das System Mittel zum Beaufschlagen der mindestens einen ersten Statorwicklung, und/oder der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung mit mindestens einem Testsignal mit einer Testfrequenz, Mittel zum Beaufschlagen der mindestens einen ersten Statorwicklung, und/oder der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung mit mindestens einem Erregersignal mit einer Erregerfrequenz, die sich von der Testfrequenz unterscheidet, wobei sich bevorzugt auch eine Phasenlage der Erregersignale von einer Phasenlage der Testsignale unterscheidet, Mittel zum Filtern von Signalen, beispielsweise einen Tiefpass, einen Hochpass und/oder einen Bandpass, die an der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung anstehen, so dass die gefilterten Signale im Wesentlichen ausschließlich Frequenzanteile in einem vorgegebenen Frequenzbereich um die Erregerfrequenz aufweisen, und Mittel zum Bestimmen des Rotorwinkels auf Basis der gefilterten Signale.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Hierbei zeigt schematisch:
• 1 einen Resolver mit zwei Statorwicklungen und einer Rotorwicklung,
• 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild des in 1 gezeigten Resolvers und
• 3 ein System umfassend einen Resolver und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen des Resolvers.
• 1 zeigt einen Resolver mit einer ersten Statorwicklung 100, einer zweiten Statorwicklung 101, deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der ersten Statorwicklung 100 in einem rechten Winkel steht, und einer Rotorwicklung 102, die mit einer rotierenden Welle 300 in nicht dargestellter herkömmlicher Weise drehfest verbunden ist. Die rotierende Welle 300 wird mittels eines nicht dargestellten Elektromotors angetrieben.
• Nachfolgend wird exemplarisch beschrieben, wie ein Rotorwinkel der Welle 300 mit Hilfe der so genannten Rotorerregung herkömmlich bestimmbar ist.
• Mit Hilfe eines nicht dargestellten Ringtransformators wird in die Rotorwicklung 102 eine Spannung mit einer Träger bzw. Erregerfrequenz mit der Amplitude U_e übertragen.
• Die Erregerfrequenzspannung induziert in den Statorwicklungen 100 und 101 Spannungen U_cos bzw. U_sin. Da die beiden Statorwicklungen 100 und 101 um 90° versetzt sind, sind die Amplituden der induzierten Spannungen cosinusförmig bzw. sinusförmig vom Rotor- bzw. Drehwinkel φ abhängig: $$U_{\text{cos}}=U_e\cdot K\cdot \text{cos}\left(p\cdot \phi \right)$$

  

  $$U_{\text{sin}}=U_e\cdot K\cdot \text{sin}\left(p\cdot \phi \right)$$

  
• Die Größe p berücksichtigt die Polpaarzahl der Wicklungen des Resolvers. K bezeichnet die Kopplung zwischen Rotor- und Statorwicklungen Aus dem Verhältnis der in (1) und (2) angegebenen Spannungen lässt sich der Drehwinkel wie folgt berechnen: $${\phi }_{mess}=\frac{1}{p}\cdot {\text{tan}}^{-1}\left(\frac{U_{\text{sin}}}{U_{\text{cos}}}\right)$$

  
• Die Amplituden U_cos und U_sin der Statorspannungen werden durch synchrone Gleichrichtung bzw. Abtastung der Erregerfrequenzsignale gewonnen.
• Die oben genannten Gleichungen setzen eine feste Erregerfrequenz voraus und berücksichtigen keine Spannungsabfälle bei Stromfluss. Zur nachfolgenden Beschreibung des Resolververhaltens und der erfindungsgemäßen Auswertung der gemessenen Spannungen und Ströme werden zur Vereinfachung die Verluste innerhalb des Resolvers vernachlässigt, d.h. R->0.
• Unter den oben genannten Voraussetzungen ergibt sich das in 2 gezeigte elektrische Ersatzschaltbild des in 1 gezeigten Resolvers. M bezeichnet einen jeweiligen Kopplungsfaktor zwischen der Rotorwicklung 102 und den Statorwicklungen 100 und 101, L bezeichnet eine jeweilige Induktivität der Statorwicklungen 100 und 101 und L_R bezeichnet eine Induktivität der Rotorwicklung 102. Es gilt ω = 2πf
• Die Spannungen und Ströme in den 3 Wicklungen 100, 101 und 102 werden durch folgende Gleichungen in komplexer Schreibweise beschrieben: $${\underset{\_}{U}}_S=j\omega L{\underset{\_}{I}}_S+j\omega M{\underset{\_}{I}}_R\text{ sin}\phi$$

  

  $${\underset{\_}{U}}_C=j\omega L{\underset{\_}{I}}_C+j\omega M{\underset{\_}{I}}_R\text{ cos}\phi$$

  

  $${\underset{\_}{U}}_R=j\omega L_R{\underset{\_}{I}}_R+j\omega M{\underset{\_}{I}}_S\text{ sin}\phi +j\omega M{\underset{\_}{I}}_C\text{ cos}\phi$$

  
• Für eine feste Frequenz ergibt sich aus den Spannungsgleichungen (4) und (5) (Zähler und Nenner haben die gleiche Richtung, so dass sich eine reelle Zahl ergibt): $$\text{tan}\phi =\frac{j\omega M\text{ sin}\phi }{j\omega M\text{ cos}\phi }=\frac{{\underset{\_}{U}}_S-j\omega L{\underset{\_}{I}}_S}{{\underset{\_}{U}}_C-j\omega L{\underset{\_}{I}}_C}$$

  
• Aus den genannten Gleichungen konnen weitere Beziehungen zur redundanten Ermittlung des Drehwinkels aufgestellt werden. $$\text{sin}\phi =\frac{1}{j\omega M{\underset{\_}{I}}_S}\left({\underset{\_}{U}}_R-j\omega L_R{\underset{\_}{I}}_R-\frac{{\underset{\_}{U}}_C-j\omega L{\underset{\_}{I}}_C}{{\underset{\_}{I}}_R}{\underset{\_}{I}}_C\right)$$

  

  $$\text{cos}\phi =\frac{1}{j\omega M{\underset{\_}{I}}_C}\left({\underset{\_}{U}}_R-j\omega L_R{\underset{\_}{I}}_R-\frac{{\underset{\_}{U}}_S-j\omega L{\underset{\_}{I}}_S}{{\underset{\_}{I}}_R}{\underset{\_}{I}}_S\right)$$

  
• Damit ist eine redundante Ermittlung des Drehwinkels möglich, solange der Strom I _R nicht 0 wird. Die Drehzahl ergibt sich durch Differenziation: $$n=\frac{1}{2\pi }\frac{d}{dt}\phi$$

  
• Die ursprüngliche Resolverauswertung zur Regelung des Elektromotors kann unverändert bleiben. Es werden lediglich unabhängig von dem Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung die Spannungsverläufe und die Stromverlaufe in der Rotorwicklung 102 und den Statorwicklungen 100 und 101 gemessen und mittels der oben genannten Gleichungen zur redundanten Ermittlung des Rotorwinkels ausgewertet. Da es sich hier um Kleinsignale handelt, ist eine einfache Messung mit Operationsverstärkern und Shunts möglich.
• Für den Fall der Auswertung mit I _R=0 und U _R=0 sind die oben genannten Gleichungen zur redundanten Auswertung nicht mehr geeignet. Darüber hinaus ist eine Erkennung eines Leitungsbruchs nicht mit Sicherheit gewährleistet.
• Ein derartiger Fall kann systematisch beispielsweise dann auftreten, wenn der Rotorwinkel mittels Statorerregung bestimmt wird, wobei hierzu die erste Statorwicklung mit einem ersten Erregersignal in Form einer ersten sinusförmigen Wechselspannung mit einer ersten Erregerfrequenz und einer ersten Amplitude beaufschlagt wird und die zweite Statorwicklung mit einem zweiten Erregersignal in Form einer zweiten sinusförmigen Wechselspannung mit der Erregerfrequenz und einer zweiten Amplitude beaufschlagt wird, wobei eine Phasenverschiebung zwischen der ersten sinusförmigen Wechselspannung und der zweiten sinusförmigen Wechselspannung 90° beträgt und die erste Amplitude und die zweite Amplitude mittels eines Reglers derart erzeugt werden, dass in der Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Wechselspannung keine Spannung induziert wird, wobei eine Stellgröße des Reglers den Rotorwinkel abbildet.
• Für diesen Fall ist die Einspeisung eines Testsignals mit einer Frequenz, die sich von der des Erregerfrequenzsignals unterscheidet, die geeignete Lösung. Dieses Signal wird derart eingespeist, dass hierfür I _R≠0 und/oder U _R≠0 gilt.
• Eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes System sowie das zugehörige Betriebsverfahren werden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
• 3 zeigt ein System 1000 umfassend einen Resolver und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen des Resolvers.
• Der in 3 gezeigte Resolver umfasst, wie der in den 1 und 2 gezeigte Resolver, eine erste Statorwicklung 100, eine zweite Statorwicklung 101, deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der ersten Statorwicklung 100 in einem rechten Winkel steht, und eine Rotorwicklung 102, die mit einer nicht gezeigten rotierenden Welle drehfest verbunden ist. Die rotierende Welle wird mittels eines nicht dargestellten Elektromotors angetrieben.
• Das System umfasst weiter Mittel 201, beispielsweise einen D/A-Wandler mit nachgeschaltetem Verstärker, zum Beaufschlagen bzw. Speisen der ersten Statorwicklung 100 mit einem ersten Erregersignal in Form einer sinusförmigen Wechselspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 4kHz und einer ersten rotorwinkelabhängigen Amplitude und Mittel 200, beispielsweise ebenfalls einen D/A-Wandler mit nachgeschaltetem Verstärker, zum Beaufschlagen bzw. Speisen der zweiten Statorwicklung 101 mit einem zweiten Erregersignal in Form einer sinusförmigen Wechselspannung mit einer Frequenz von beispielsweise ebenfalls 4kHz und einer zweiten rotorwinkelabhängigen Amplitude. Die erste Amplitude und die zweite Amplitude werden mittels eines Reglers bzw. einer Auswerteeinheit 202 derart rotorwinkelabhängig erzeugt, dass in der Rotorwicklung 102 aufgrund der ersten und der zweiten Wechselspannung keine Spannung induziert wird, wobei eine nicht näher dargestellte Stellgröße des Reglers den Rotorwinkel abbildet. Eine entsprechende Lösung ist in der DE 38 34 384 A1 beschrieben, die insoweit durch Bezugnahme zum Gegenstand der Beschreibung gemacht wird, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
• Das System umfasst weiter Mittel 116, beispielsweise ebenfalls einen D/A-Wandler mit nachgeschaltetem Verstärker, zum Beaufschlagen der ersten Statorwicklung 100 mit einem ersten Testsignal in Form einer sinusförmigen Wechselspannung mit einer Testfrequenz von beispielsweise 400Hz oder 8kHz, Mittel 115, beispielsweise ebenfalls einen D/A-Wandler mit nachgeschaltetem Verstärker, zum Beaufschlagen der zweiten Statorwicklung 101 mit einem zweiten Testsignal in Form einer sinusförmigen Wechselspannung mit der Testfrequenz und Überlagerungsglieder 103 und 110, die das erste Erregersignal und das erste Testsignal bzw. das zweite Erregersignal und das zweite Testsignal überlagern bzw. addieren, wobei jeweilige Ausgangssignale der Überlagerungsglieder 103 und 110 beispielsweise mittels Verstärkern 107 bzw. 111 verstärkt und anschließend an die erste Statorwicklung 100 bzw. an die zweite Statorwicklung 101 angelegt werden. Eine Phasenverschiebung zwischen den Testsignalen kann 90° betragen.
• Die erste Statorwicklung 100 und die zweite Statorwicklung 101 werden derart mit den zugehörigen Testsignalen beaufschlagt, dass in der Rotorwicklung 102 aufgrund der Testsignale zumindest innerhalb vorbestimmter Zeitintervalle eine Spannung und/oder ein Strom induziert wird/werden.
• Wie bereits oben ausgeführt, werden die erste Amplitude und die zweite Amplitude der Erregsignale bzw. Erregerspannungen derart erzeugt, dass in der Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Wechselspannung keine Spannung induziert wird, d.h. das aufgrund der Erregersignale erzeugte magnetische Wechselfeld steht senkrecht zu einer Achse der Rotorwicklung. Die Testsignale können nun beispielsweise derart rotorwinkelabhängig erzeugt werden, dass das aufgrund der Testsignale erzeugte magnetische Wechselfeld stets parallel zur Achse der Rotorwicklung verläuft, d.h. dauerhaft eine Wechselspannung aufgrund der Testsignale in der Rotorwicklung induziert wird.
• Zum Überwachen der Resolverfunktion sowie zum redundanten Ermitteln des Rotorwinkels sind Mittel in Form eines Messverstärkers 109 zum Messen eines Spannungsverlaufs an der ersten Statorwicklung 100, Mittel in Form des Messverstärkers 109 und eines Shunt-Widerstands 108 zum Messen eines Stromverlaufs in die erste Statorwicklung 100, Mittel in Form eines Messverstärkers 113 zum Messen eines Spannungsverlaufs an der zweiten Statorwicklung 101, Mittel in Form des Messverstärkers 113 und eines Shunt-Widerstands 112 zum Messen eines Stromverlaufs in die zweite Statorwicklung 101 und Mittel in Form eines Messverstarkers 106 zum Messen eines Spannungsverlaufs an der Rotorwicklung 102 und Mittel in Form des Messverstärkers 106 und eines Shunt-Widerstands 105 zum Messen eines Stromverlaufs in die Rotorwicklung 102 vorgesehen. Die Spannungen und Ströme der Rotorwicklung 102 werden zur Auswertung mittels eines Signalübertragers 104 übertragen und durch den Messverstärker 106 in Verbindung mit dem Shunt-Widerstand 105 verstärkt.
• Die gemessenen Ströme und Spannungen werden durch einen Signalprozessor 114 ausgewertet, wobei sowohl Defekte des Resolvers, beispielsweise Leitungsbrüche oder Kurzschlüsse detektierbar sind, als auch eine redundante Drehwinkelerfassung möglich ist. Die ursprüngliche Resolverauswertung, beispielsweise zur Regelung eines Elektromotors und zur Kommutierung des Motorstromes, kann unverändert bleiben. Es werden lediglich die vorhandenen Spannungen und Ströme am Resolver gemessen. Da es sich hier um Kleinsignale handelt, ist eine einfache Messung mit Operationsverstärkern und Shunts möglich.
• Der Signalprozessor 114 kann redundante Rotorwinkel φ1 und φ2, redundante Drehzahlen n1 und n2 sowie ein Fehlerstatussignal St ermitteln und ausgeben. Der Signalprozessor steuert weiter die Mittel 115 und 116 zur Testsignalerzeugung geeignet an, indem er beispielsweise geeignete Signalverläufe der Testsignale vorgibt die anschließend durch die Mittel 115 und 116 lediglich noch verstärkt werden.
• Für den Fall der Auswertung mit I _R≠0 und U _R=0 ergibt sich der Rotorwinkel beispielsweise aus folgender Gleichung: $$\phi =\text{arctan}\left(-\frac{I_C}{I_R}\right)$$

  
• Für den Fall der Auswertung mit I_R=0 und U_R≠0 ergibt sich der Rotorwinkel beispielsweise aus folgenden Gleichungen: $$I_S\text{ sin}\phi +I_C\text{ cos}\phi =\frac{U_R}{\omega M}$$

  

  $$\frac{U_S}{L}\text{sin}\phi +\frac{U_C}{L}\text{cos}\phi =\frac{U_R}{M}$$

  
• Folgende Fehlerszenarien bei einem Resolver sind beispielsweise mittels der gezeigten Ausführungsform detektierbar.
• - Drahtbruch, da einer der Ströme Null wird.
• - Versagen einer Lagerung und/oder Befestigung des Resolverrotors, da sich Ströme und Gegeninduktivitäten ändern, so dass die Kontrollgleichungen zu widersprüchlichen Ergebnissen führen.
• Die Sicherheitsresolverauswertung muss folglich nur die Ströme und Spannungen an einem Standardresolver messen, der von einer Auswerteelektronik zur Ermittlung von Drehzahl- und Winkel gespeist wird.
• Um für die Auswertung im Resolver die Signalanteile des Testsignals zu unterdrücken, sind Mittel zum Filtern der an der Rotorwicklung 102 bzw. am Ausgang des Signalübertragers 104 anstehenden Spannung in Form eines Bandpasse 204 vorgesehen, dem ein Verstärker 203 vorgeschaltet ist. Der Bandpass 204 unterdrückt die Signalanteile des Testsignals im Wesentlichen vollständig, wobei das derart gefilterte Signal mittels eines A/D-Wandlers 205 digitalisiert und dann einer Auswertung im Regler bzw. der Auswerteeinheit 202 zugeführt wird. Die Auswerteeinheit 202 bestimmt dann in herkömmlicher Resolverfunktion den Rotorwinkel φ und die Drehzahl n auf Basis der gefilterten Signale und gibt die bestimmten Größen aus.
• Die gezeigten Ausführungsformen ermöglichen eine zuverlässige und kostengünstig implementierbare Überwachung des Resolvers und sind leicht in herkömmliche Systeme zur Winkelbestimmung mit Resolver integrierbar.

Claims (8)

1. Verfahren zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels (φ) einer rotierenden Welle (300) mittels eines Resolvers, - wobei der Resolver umfasst: - mindestens eine erste Statorwicklung (100), - mindestens eine zweite Statorwicklung (101), deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der mindestens einen ersten Statorwicklung in einem rechten Winkel steht, und - mindestens eine Rotorwicklung (102), die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist, - wobei der Rotorwinkel mittels Rotorerregung oder Statorerregung bestimmt wird, mit folgenden Überwachungsschritten, die unabhängig von dem Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung durchgeführten werden: - Messen von Spannungsverläufen an der mindestens einen ersten Statorwicklung und/oder der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung, - Messen von Stromverläufen in die mindestens eine erste Statorwicklung und/oder die mindestens eine zweite Statorwicklung und/oder die mindestens eine Rotorwicklung und - Auswerten der gemessenen Spannungsverläufe und/oder der gemessenen Stromverläufe zum Überwachen des Bestimmens des Rotorwinkels, - wobei die gemessenen Spannungsverläufe und die gemessenen Stromverläufe zum mindestens einfach redundanten Bestimmen des Rotorwinkels ausgewertet werden, unabhängig von dem Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Spannungsverläufe und/oder die gemessenen Stromverläufe zur Ermittlung eines Leitungsbruchs, eines Kurzschlusses und/oder eines mechanischen Defekts des Resolvers ausgewertet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Überwachungsschritte weiter umfassen: - Beaufschlagen der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung mit mindestens einem Testsignal mit einer Testfrequenz, und - das Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung die Schritte umfasst: - Beaufschlagen der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung mit mindestens einem Erregersignal mit einer Erregerfrequenz, die sich von der Testfrequenz unterscheidet, - Filtern von Signalen, die an der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung anstehen, so dass die gefilterten Signale im Wesentlichen ausschließlich Frequenzanteile in einem vorgegebenen Frequenzbereich um die Erregerfrequenz aufweisen, und - Bestimmen des Rotorwinkels auf Basis der gefilterten Signale.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: - Messen eines Spannungsverlaufs U _S an der ersten Statorwicklung und Messen eines Stromverlaufs I _S in die ersten Statorwicklung, Messen eines Spannungsverlaufs U _c an der zweiten Statorwicklung und Messen eines Stromverlaufs I _c in die zweite Statorwicklung und Messen eines Spannungsverlaufs U _R an der Rotorwicklung und Messen eines Stromverlaufs I _R in die Rotorwicklung, - Bestimmen des Rotorwinkels φ mittels der Gleichung $\text{tan}\phi =\frac{j\omega M\text{ sin}\phi }{j\omega M\text{ cos}\phi }=\frac{{\underset{\_}{U}}_S-j\omega L{\underset{\_}{I}}_S}{{\underset{\_}{U}}_C-j\omega L{\underset{\_}{I}}_C}\text{,}$

   

   - erstes redundantes Bestimmen des Rotorwinkels φ mittels der Gleichung $\text{sin}\phi =\frac{1}{j\omega M{\underset{\_}{I}}_S}\left({\underset{\_}{U}}_R-j\omega L_R{\underset{\_}{I}}_R-\frac{{\underset{\_}{U}}_C-j\omega L{\underset{\_}{I}}_C}{{\underset{\_}{I}}_R}{\underset{\_}{I}}_C\right)$

   

   und - zweites redundantes Bestimmen des Rotorwinkels φ mittels der Gleichung $\text{cos}\phi =\frac{1}{j\omega M{\underset{\_}{I}}_C}\left({\underset{\_}{U}}_R-j\omega L_R{\underset{\_}{I}}_R-\frac{{\underset{\_}{U}}_S-j\omega L{\underset{\_}{I}}_S}{{\underset{\_}{I}}_R}{\underset{\_}{I}}_S\right)\text{.}$

   
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - der Rotorwinkel mittels Statorerregung bestimmt wird, wobei hierzu - die erste Statorwicklung mit einem ersten Erregersignal in Form einer ersten sinusförmigen Wechselspannung mit einer ersten Erregerfrequenz und einer ersten Amplitude beaufschlagt wird und - die zweite Statorwicklung mit einem zweiten Erregersignal in Form einer zweiten sinusförmigen Wechselspannung mit der Erregerfrequenz und einer zweiten Amplitude beaufschlagt wird, wobei - die erste Amplitude und die zweite Amplitude mittels eines Reglers derart erzeugt werden, dass in der Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Wechselspannung keine Spannung induziert wird, wobei eine Stellgröße des Reglers den Rotorwinkel abbildet, und - die erste Statorwicklung und/oder die zweite Statorwicklung derart mit dem Testsignal beaufschlagt wird/werden, dass in der Rotorwicklung aufgrund des Testsignals eine Spannung und/oder ein Strom induziert wird.
6. Vorrichtung zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels (φ) einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers, - wobei der Resolver umfasst: - mindestens eine erste Statorwicklung (100), - mindestens eine zweite Statorwicklung (101), deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der mindestens einen ersten Statorwicklung in einem rechten Winkel steht, und - mindestens eine Rotorwicklung (102), die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist, wobei - der Resolver dazu ausgebildet ist, den Rotorwinkel mittels Rotorerregung oder Statorerregung zu bestimmen, wobei die Vorrichtung aufweist: - Mittel (106, 109, 113) zum Messen von Spannungsverläufen an der mindestens einen ersten Statorwicklung und/oder der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung, - Mittel (105, 106; 108, 109; 112, 113) zum Messen von Stromverläufen in die mindestens eine erste Statorwicklung und/oder die mindestens eine zweite Statorwicklung und/oder die mindestens eine Rotorwicklung, - Mittel (114) zum Auswerten der gemessenen Spannungsverläufe und/oder der gemessenen Stromverläufe zum Überwachen des Bestimmens des Rotorwinkels und - Mittel, um die gemessenen Spannungsverläufe und die gemessenen Stromverläufe zum mindestens einfach redundanten Bestimmen des Rotorwinkels auszuwerten, unabhängig von dem Bestimmen des Rotorwinkels mittels Rotorerregung oder Statorerregung.
7. System, umfassend: - einen Resolver, umfassend - mindestens eine erste Statorwicklung (100), - mindestens eine zweite Statorwicklung (101), deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der mindestens einen ersten Statorwicklung in einem rechten Winkel steht, und - mindestens eine Rotorwicklung (102), die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist, wobei - wobei der Resolver dazu ausgebildet ist, den Rotorwinkel mittels Rotorerregung oder Statorerregung zu bestimmen, und - eine Vorrichtung nach Anspruch 6.
8. System nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch - Mittel (115, 116) zum Beaufschlagen der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung mit mindestens einem Testsignal mit einer Testfrequenz, - Mittel (200, 201) zum Beaufschlagen der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung mit mindestens einem Erregersignal mit einer Erregerfrequenz, die sich von der Testfrequenz unterscheidet, - Mittel (204) zum Filtern von Signalen, die an der mindestens einen ersten Statorwicklung, der mindestens einen zweiten Statorwicklung und/oder der mindestens einen Rotorwicklung anstehen, so dass die gefilterten Signale im Wesentlichen ausschließlich Frequenzanteile in einem vorgegebenen Frequenzbereich um die Erregerfrequenz aufweisen, und - Mittel (202) zum Bestimmen des Rotorwinkels auf Basis der gefilterten Signale.

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