DE102010021375B4

DE102010021375B4 - Verfahren zur Erfassung der Lage und des Diskontinue-Punktes mit einem Winkelsensor

Info

Publication number: DE102010021375B4
Application number: DE102010021375.6A
Authority: DE
Inventors: Harald Kerkmann; Ingolf Hellmann
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: DE102010021375A1

Abstract

Verfahren zur Erfassung einer Rotorlage und eines Diskontinue-Punktes für eine Stellvorrichtung mit einem Sensor (26), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Festlegen eines ersten Messzeitpunktes t1 und eines zweiten Messzeitpunktes t2, wobei t2 = t1 + Δt und t1 sowie t2 innerhalb einer Zykluszeit t auftreten; b) Initialisierung einer Zählvariable i = 0 und Festlegen eines maximal zulässigen Fehlers imax, wobei zusätzlich eine Zählvariable j mit einem Maximalwert jmax festgelegt wird und dass desweiteren ein unterer Grenzwert x1 und ein oberer Grenzwert x2 für die aus der Sensorspannung des Sensors (26) resultierenden Winkelwerte festgelegt werden; c) Bestimmung eines ersten Winkelwertes α1 zum Messzeitpunkt t1 durch das Auslesen der Sensorspannung des Sensors (26), wobei nachfolgend die Schritte durchgeführt werden: c.1 Bei α1 < x1 oder α1 > x2 und j >= jmax wird eine Fehlermeldung als Rückgabewert des Prozesses ausgegeben und der Prozess abgebrochen; sonst weiter mit Schritt c.2; c.2 Bei α1 < x1 oder α1 > x2 und j < jmax wird die Zählvariable j um einen Zählerwert erhöht und zurück zu Schritt c) gegangen; sonst weiter mit Schritt c.3; c.3 Bei α1 > x1 und α1 < x2 wird der erste Winkelwert α1 zum Messzeitpunkt t1 beibehalten und mit Schritt d) fortgefahren; d) Bestimmung eines zweiten Winkelwerte α2 zu dem Messzeitpunkt t2 durch das erneute Auslesen der Sensorspannung des Sensors (26); e) Bildung der Differenz der Winkelwerte α1 und α2; f) Bei einer Differenz, deren Betrag größer als Δαmax ist und i < imax ist, wird die Zählvariable i um einen Zählerwert erhöht und zurück zu Schritt c) gegangen; bei i >= imax befindet sich die Sensorspannung des Sensors (26) im Diskontinue-Punkt und die Auswerteeinheit erhält als Rückgabewert den zuletzt gemessenen gültigen Winkel; sonst weiter mit Schritt g); g) Bei einer Differenz der Winkelwerte α1 und α2, deren Betrag kleiner gleich Δαmax ist, wird das arithmetische Mittel der Summe der Winkelwerte α1 und α2 bestimmt und als zuletzt bekannte Winkelposition αneu festgelegt und zurückgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der absoluten Rotorlageposition einer elektrischen Maschine mit einem Winkelsensor von mehr als 360°. Derartige Verfahren werden insbesondere in elektromotorischen Stellvorrichtungen beispielsweise zum Antrieb von Klappen oder Ventilen an einem Verbrennungsmotor eingesetzt.
Winkelsensoren mit einem Messbereich von mehr als 360° oder einem mehrere Umdrehungen umfassenden Messbereich sind häufig als absolut messende Sensoren ausgeführt. In den vergangenen Jahren wurden häufig Kontakt behaftete Sensoren, wie z. B. Potentiometer eingesetzt, welche jedoch zusehends von berührungslosen, wie z. B. kapazitiven oder induktiven Winkelsensoren abgelöst werden, da die Kontakt behafteten Anordnungen einem Verschleiß und erhöhter Geräuschbildung unterliegen. Entsprechend weisen berührungslose Sensoranordnungen eine höhere Lebensdauer auf. Zur Auflösung eines Winkelbereichs von über 360° benötigen diese Sensoren aber einen elektronischen Umdrehungszähler, dessen Zählwert auch im stromlosen Zustand zwischengespeichert wird.
Die US 2006/0288800 A1 offenbart eine Rotations-Winkel-Messeinrichtung, insbesondere zur Drehzahlmessung oder zur Positionierung einer Motorwelle mit einem Zähler. Der Zähler wird nach dem Vergleich der durch einen Sensor gewonnenen Messsignale inkrementiert, wodurch überprüft wird, ob der Wert des Zählers innerhalb eines vordefinierten Wertebereichs liegt. Durch den Wert des Zählers in Abhängigkeit des Zeitpunkts der Messwertaufnahme kann so eine Aussage über das Drehzahlverhalten der Motorwelle gemacht werden.
Als Sensor beispielsweise zur Lagerückmeldung eines Rotors, kann insbesondere ein Hall-Sensor oder ein magnetischer Widerstandssensor eingesetzt werden. Beide Sensoren liefern sehr exakte Messwerte und lassen sich kostengünstig herstellen. Zudem sind derartige Hall-Sensoren oder magnetische Widerstandssensoren jeweils sehr kompakt ausführbar, wodurch sich eine leichte Integration innerhalb eines vorhandenen Einbauraums der elektrischen Maschine ergibt.
Unabhängig davon, welche Art von Sensor eingesetzt wird, ist ein prinzipielles Problem bei Winkelsensoren Fehlmessungen, z. B. durch Mehrdeutigkeiten bei einem Messbereich von mehr als 360° oder einem mehrere Umdrehungen umfassenden Messbereich, aufzulösen und dadurch Fehlpositionierungen und Ruckeln bei Stellvorrichtungen zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches geeignet ist, aus einem Signalverlauf ein lineares Winkelsignal über einen Messbereich von mehr als 360° auszuwerten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit einem Sensor gelöst, welches folgende Schritte aufweist:

a) Festlegen eines ersten Messzeitpunktes t₁ und eines zweiten Messzeitpunktes t₂, wobei t₂ = t₁ + Δt und t₁ sowie t₂ innerhalb einer Zykluszeit t auftreten.
b) Initialisierung einer Zählvariable i = 0 und Festlegen eines maximal zulässigen Fehlers i_max, wobei zusätzlich eine Zählvariable j mit einem Maximalwert j_max festgelegt wird und dass desweiteren ein unterer Grenzwert x₁ und ein oberer Grenzwert x₂ für die aus der Sensorspannung des Sensors resultierenden Winkelwerte festgelegt werden.
c) Bestimmung eines ersten Winkelwertes α₁ zum Messzeitpunkt t₁ durch das Auslesen der Sensorspannung des Sensors, wobei nachfolgend die Schritte c.1 Bei α₁ < x₁ oder α₁ > x₂ und j >= j_max wird eine Fehlermeldung als Rückgabewert des Prozesses ausgegeben und der Prozess abgebrochen; Sonst weiter mit Schritt c.2; c.2 Bei α₁ < x₁ oder α₁ > x₂ und j < j_max wird die Zählvariable j um einen Zählerwert erhöht und zurück zu Schritt c) gegangen; Sonst weiter mit Schritt c.3; c.3 Bei α₁ > x₁ und α₁ < x₂ wird der erste Winkelwert α₁ zum Messzeitpunkt t₁ beibehalten und mit Schritt d) fortgefahren, durchgeführt werden.
d) Bestimmung eines zweiten Winkelwertes α₂ zu dem Messzeitpunkt t₂ durch das erneute Auslesen der Sensorspannung des Sensors.
e) Bildung der Differenz der Winkelwerte α₁ und α₂.
f) Bei einer Differenz, deren Betrag größer als Δα_max ist und i < i_max ist, wird die Zählvariable i um einen Zählerwert erhöht und zurück zu Schritt c) gegangen; Bei i >= i_max befindet sich die Sensorspannung des Sensors im Diskontinue-Punkt und die Auswerteeinheit erhält als Rückgabewert den zuletzt gemessenen gültigen Winkel; Sonst weiter mit Schritt g).
g) Bei einer Differenz der Winkelwerte α₁ und α₂, deren Betrag kleiner gleich Δα_max ist, wird das arithmetische Mittel der Summe der Winkelwerte α₁ und α₂ bestimmt und als zuletzt bekannte Winkelposition α_neu festgelegt und zurückgegeben.

Mit einem solchen Verfahren kann in hohem Maße sichergestellt werden, dass Mehrdeutigkeiten bezüglich der Rotorlageposition bei Messbereichen über 360° zuverlässig detektiert und vermieden werden. Außerdem kann hierdurch noch ein fehlerbehafteter Sensor erkannt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer elektromotorischen Stelleinrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet,
2 eine Kennlinie, die eine gemessene Sensorspannung über eine Zeit t zeigt und
3 ein Flussdiagramm des Funktionsablaufs zur Erfassung des aktuellen Winkels.
Die 1 zeigt eine Stellvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine für das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung der Lage und des Diskontinue-Punktes. Die Stellvorrichtung weist eine Welle 12 auf, die in bekannter Weise zum Antrieb eines Stellorgans 10, z. B. Klappen oder Ventilen, an einem Verbrennungsmotor über einen Elektromotor 18 antreibbar ist. Weiter weist die Stellvorrichtung zur Lageerfassung Signalgeber 22, 24 auf, die insbesondere als Magneten ausgeführt sind und an der Welle 12 über eine Verbindungselement 20 angeordnet sind. Die Magnete 22, 24 korrespondieren mit einem Positionssensor 26 bzw. Winkelsensor 26, der beispielsweise als Hall-Sensor oder Potentiometer ausgeführt ist.
Um die Welle 12 durch den Elektromotor 18 anzutreiben, sind diese durch eine Getriebeanordnung 14, 16 miteinander gekoppelt, wobei je nach Ausführungsform und Aufgabe der Stellvorrichtung eine unterschiedliche Übersetzung der Getriebeanordnung 14, 16 realisierbar ist. Demzufolge kann es bei Übersetzungen ungleich 1:1 und einem zu erfassenden Messbereich größer als 360° der Welle 12 zu Mehrdeutigkeiten bei der Lageerfassung kommen. Innerhalb des Messbereichs von 0° bis 360° steigt die Sensorspannung nahezu linear mit dem Drehwinkel an. Bei einem Drehwinkel größer als 360° kommt es daraufhin zu einem Sprung der Sensorspannung zwischen einem maximalen und minimalen Spannungswert (oder umgekehrt). Durch die zusätzliche Feststellung, ob das Sensorspannungssignal einen Pegelwechsel bzw. den Diskontinue-Punkt durchlaufen hat, lässt sie die genaue Lage z. B. eines Rotors detektieren. Hierdurch wird eine genaue Positionierung des Stellorgans 10 durch die Ansteuerung des Elektromotors 18 erreicht.
Durch die Bewegung der Magneten 22, 24 mit dem Stellorgan 10 bzw. der Welle 12 wird im berührungslosen Winkelsensor 26 in bekannter Weise eine Spannung induziert, welche als Maß für die Berechnung eines Drehwinkels durch eine externe oder interne auf einer Platine angeordneten elektronischen Steuer- und/oder Auswerteeinheit 30 dient.
In der Steuer- und/oder Auswerteeinheit 30 ist auch die Zuweisung von Sensorspannung und zugehörigem Drehwinkel als Funktion integriert.
Die 2 zeigt einen von einem Winkelsensor erfassten Spannungsverlauf U_sensor, der über der Zeit t aufgetragen ist. Die Messung der aktuellen Sensorspannung zur Bestimmung des Drehwinkels findet zyklisch statt. Der aktuelle Drehwinkel als Rückgabewert des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei richtiger Funktionsweise des Winkelsensors immer innerhalb eines Zyklus aus zwei gemittelten, um Δt voneinander beabstandet gemessenen Sensorspannungen bzw. Drehwinkel definiert. Ist der Abstand Δt zwischen den Messpunkten definiert, Isst sich in Abhängigkeit der Auflösung des Sensors und der Motordrehzahl überprüfen, ob der detektierte Drehwinkel bzw. die Differenzspannung ΔU in 2 realistisch ist oder ob ein Pegelwechsel der Sensorspannung bzw. der Diskontinue-Punkt durchlaufen worden ist. Dabei ist es sich so, dass beim Pegelwechsel im Diskontinue-Punkt, trotz kurzem zeitlichen Δt eine deutlich größere Signalveränderung bzw. Differenzspannung ΔU gemessen wird, als bei einer Messung innerhalb des Bereichs von 0° bis 360°.
Aus dem aktuellen Drehwinkel werden außerdem die Drehgeschwindigkeit und die Drehbeschleunigung berechnet.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die 3 ein Flussdiagramm zur Erfassung des Drehwinkels und des Diskontinue-Punktes. Das Verfahren wird in einer Funktion z. B. innerhalb einer elektronischen Steuer- und/oder Auswerteeinheit 30 hinterlegt, wie in 1 dargestellt, und zyklisch aufgerufen, wobei vor der Inbetriebnahme alle notwendigen festen Parameter zu hinterlegen sind. Festzulegen sind ein erster Messzeitpunkt t₁ und ein Zweiter Messzeitpunkt t₂, wobei t₂ größer gewählt werden muss als t₁ und t₁ sowie t₂ innerhalb einer Zykluszeit auftreten müssen. Außerdem müssen ein unterer Grenzwert x₁ und ein oberer Grenzwert x₂ für die aus der Sensorspannung resultierenden Winkelwerte festgesetzt werden, wobei desweiteren durch eine Zählvariable j begrenzt wird, wie oft innerhalb eines Zyklus die Messung der Winkel, z. B. aufgrund eines unzulässigen Wertes, wiederholt werden kann. Desweiteren wir ein maximal zulässiger Differenzwinkel Δα zu Δα_max festgelegt und eine weitere Zählvariable i, die zur Ermittlung des Diskontinue-Punktes herangezogen wird.
Dann erfolgt die Bestimmung eines ersten Winkelwertes α₁ zum Messzeitpunkt t₁ durch das Auslesen der Sensorspannung. Bei einem Winkel α₁ der außerhalb der Grenzwerte x₁ oder x₂ liegt, wird zunächst anhand des Wertes der Zählvariable i überprüft, ob eine Wiederholung der Messung der Werte zulässig ist. Ist der Grenzwert j_max bereits erreicht, d. h. ist j >= j_max, wird eine Fehlermeldung als Rückgabewert der Funktion ausgegeben. Andernfalls wird die Zählvariable j um einen Zählerwert erhöht und die Messung zur Bestimmung des Winkelwertes α₁ wiederholt. Liegt der erste Winkelwert α₁ innerhalb x₁ und x₂ wird dieser zum Messzeitpunkt t₁ beibehalten. Daraufhin wird zu einem zweiten Messzeitpunkt t₂ durch das erneute Auslesen der Sensorspannung ein zweiter Winkelwert α₂ bestimmt.
Nach der Bestimmung der Winkelwerte α₁ und α₂ wird der Betrag der Differenz der beiden Winkelwerte gebildet. Bei einer Differenz, deren Betrag größer als Δα_max ist und einem Wert der Zählvariable i der größer gleich i_max ist, erhält die Auswerteeinheit als Rückgabewert, dass der Diskontinue-Punkt durchfahren worden ist und behält den zuletzt gemessenen gültigen Winkel bei. Ist andererseits i < i_max, wird die Zählvariable i zunähst um einen Zählerwert erhöht und die Messungen daraufhin wiederholt.
Liegt der Betrag der Differenz der Winkelwerte α₁ und α₂ unterhalb Δα_max Grad, wird das arithmetische Mittel der Summe der Winkelwerte α₁ und α₂ berechnet und als aktuelle Winkelposition α_neu bestimmt und zurückgegeben.
Außerdem stehen die Rückgabewerte der Funktion global zur Verfügung und werden beispielsweise von anderen Funktionen zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit oder der Drehbeschleunigung herangezogen.

Claims

Verfahren zur Erfassung einer Rotorlage und eines Diskontinue-Punktes für eine Stellvorrichtung mit einem Sensor (26), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Festlegen eines ersten Messzeitpunktes t₁ und eines zweiten Messzeitpunktes t₂, wobei t₂ = t₁ + Δt und t₁ sowie t₂ innerhalb einer Zykluszeit t auftreten; b) Initialisierung einer Zählvariable i = 0 und Festlegen eines maximal zulässigen Fehlers i_max, wobei zusätzlich eine Zählvariable j mit einem Maximalwert j_max festgelegt wird und dass desweiteren ein unterer Grenzwert x₁ und ein oberer Grenzwert x₂ für die aus der Sensorspannung des Sensors (26) resultierenden Winkelwerte festgelegt werden; c) Bestimmung eines ersten Winkelwertes α₁ zum Messzeitpunkt t₁ durch das Auslesen der Sensorspannung des Sensors (26), wobei nachfolgend die Schritte durchgeführt werden: c.1 Bei α₁ < x₁ oder α₁ > x₂ und j >= j_max wird eine Fehlermeldung als Rückgabewert des Prozesses ausgegeben und der Prozess abgebrochen; sonst weiter mit Schritt c.2; c.2 Bei α₁ < x₁ oder α₁ > x₂ und j < j_max wird die Zählvariable j um einen Zählerwert erhöht und zurück zu Schritt c) gegangen; sonst weiter mit Schritt c.3; c.3 Bei α₁ > x₁ und α₁ < x₂ wird der erste Winkelwert α₁ zum Messzeitpunkt t₁ beibehalten und mit Schritt d) fortgefahren; d) Bestimmung eines zweiten Winkelwerte α₂ zu dem Messzeitpunkt t₂ durch das erneute Auslesen der Sensorspannung des Sensors (26); e) Bildung der Differenz der Winkelwerte α₁ und α₂; f) Bei einer Differenz, deren Betrag größer als Δα_max ist und i < i_max ist, wird die Zählvariable i um einen Zählerwert erhöht und zurück zu Schritt c) gegangen; bei i >= i_max befindet sich die Sensorspannung des Sensors (26) im Diskontinue-Punkt und die Auswerteeinheit erhält als Rückgabewert den zuletzt gemessenen gültigen Winkel; sonst weiter mit Schritt g); g) Bei einer Differenz der Winkelwerte α₁ und α₂, deren Betrag kleiner gleich Δα_max ist, wird das arithmetische Mittel der Summe der Winkelwerte α₁ und α₂ bestimmt und als zuletzt bekannte Winkelposition α_neu festgelegt und zurückgegeben.