DE102010031813A1

DE102010031813A1 - Verfahren zum Offsetabgleich von Drehwinkel-Sensorvorrichtungen

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Publication number: DE102010031813A1
Application number: DE201010031813
Authority: DE
Inventors: Dr. Wagner Bernhard; Matthias Töns; Moritz Märgner; Dr. Baumann Thomas
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; Continental Automotive GmbH; Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; Continental Automotive GmbH; Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Offsetabgleich einer Drehwinkel-Sensorvorrichtung, welche ein dem Lagewinkel φ des Rotors einer elektrischen Maschine entsprechendes Sinus- und Cosinus-Signal erzeugt; erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Offset-Korrektur der Sinus- und Cosinuswerte (Sin, Cos) des Sinus- und Cosinus-Signals folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Erzeugung der den Sinus- und Cosinuswerten (Sin, Cos) in einem Koordinatensystem entsprechenden geometrischen Ortskurve (K), – Bestimmung von wenigsten drei Punkten (P1, P2, P3, P4) auf der Ortskurve (K), – Berechnung jeweils einer Mittelsenkrechten (g12, g23, g34, g41) der die Punkte (P1, P2, P3, P4) verbindenden Sehnen (s12, s23, s34, s41) der Ortskurve (K), – Bestimmen der Schnittpunkte (M123, M234, M341, M412) von jeweils zwei Mittelsenkrechten (g12, g23, g34, g41), deren Sehnen (s12, s23, s34, s41) einen gemeinsamen Punkt (P1, P2, P3, P4) aufweisen, – Bestimmen des Mittelwertpunktes (MP) aus den Schnittpunkten (M123, M234, M341, M412), wobei aus den Koordinatenwerten (MPx, MPy) des Mittelwertpunktes (MP) die Offset-Werte (Offcos, Offsin) für den Sinus- und Cosinuswert (Sin, Cos) bestimmt werden, und – Korels der Offset-Werte (Offcos, Offsin).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Offsetabgleich einer Drehwinkel-Sensorvorrichtung, welche ein dem Lagewinkel ϕ des Rotors einer elektrischen Maschine entsprechendes Sinus- und Cosinus-Signal erzeugt.
Bei der elektronischen Kommutierung von Synchronmotoren erfolgt die Ansteuerung mittels Steuersignalen, mit denen Halbleiterschalter zum Ansteuern der Spulenanordnungen des Synchronmotors geschaltet werden. Hierzu werden die Verläufe der Steuersignale für die Kommutierung aus der Lage des Rotors des Synchronmotors abgeleitet, wobei zur Messung des mechanischen Drehwinkels bzw. Lagewinkels eine Drehwinkel-Sensorvorrichtung eingesetzt wird, die einen Sinuswert und einen Cosinuswert des Lagewinkels des Rotors bzw. der Welle des Synchronmotors erzeugt. Einen solchen Signalverlauf eines Sinus-Signals 1 und eines Cosinus-Signals 2 zeigt das Zeit-Spannungsdiagramm nach 1.
Üblicherweise wird zur Bestimmung des Lagewinkels aus den gemessenen Sinus- und Cosinuswerten die Tangensfunktion berechnet und daraus die Inverstangensfunktion; solche Auswerteverfahren sind bekannt.
Jedoch sind die Sinus- und Cosinuswerte des Sinus- und Cosinus-Signals aufgrund von mechanischen Toleranzen und Temperatureinflüssen fehlerbehaftet und hängen bspw. neben der Rundlaufgenauigkeit auch von der Drehzahl und dem Luftspalt ab.
Die Winkelgenauigkeit von Sinus-Cosinus-Winkelsensoren hängt von deren Offset-Werten und deren Amplitudenverhältnissen ab. Daher sind für eine korrekte Bestimmung des Lagewinkels des Rotors eines Synchronmotors die Offsets der Sinus- und Cosinus-Signale als auch deren Amplitudenverhältnisse erforderlich, die jedoch exemplar- und temperaturabhängig sind. Daher müssen diese Größen, also die Offsets und die Amplituden detektiert und adaptiert bzw. korrigiert werden.
So ist es bspw. aus der DE 10 2007 020 943 A1 bekannt, zur Offset-Korrektur entsprechende Offset-Winkelwerte in einem Speicher zu hinterlegen und drehzahlabhängig zur Winkelkorrektur der Sinus- und Cosinuswerte zu verwenden, wodurch eine drehzahlabhängige Winkelverschiebung in der Kommutierung erreicht wird.
Ferner ist es bspw. aus der DE 103 09 941 A1 bekannt, die Offset-Korrektur mit einem Offsetwert durchzuführen, der dem Mittelwert aus dem Maximalwert des Sinus- bzw. Cosinus-Signal und dessen Minimalwert entspricht. Das so bestimmte Offset wird von dem betreffenden Sinus- und Cosinus-Werten abgezogen. Um den korrekten Lagewinkel des Rotors bestimmen zu können, wird zusätzlich zur Offset-Korrektur eine Amplitudennormierung der Offset-korrigierten Sinus- und Cosinus-Signale durchgeführt, wozu ebenfalls ein Mittelwert der Maximal- und Minimalwerte der Sinus- bzw. Cosinus-Signale verwendet werden.
Diese bekannten Verfahren weisen jedoch einige Nachteile auf, insbesondere sind diese bei hohen Drehzahlen nicht mehr anwendbar und äußerst rauschempfindlich. Insbesondere führt die Verwendung von Mittelwerten über lange Zeiträume bei sehr kleinen Drehzahlen zu großen Fehlern und macht dadurch in solchen Fällen die bekannten Verfahren nicht mehr anwenbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren der Offset-Bestimmung der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem unabhängig von der Drehzahl einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektronisch kommutierten Synchronmaschine die Offsets der von einer Drehwinkel-Sensorvor-richtung erzeugten Sinus- und Cosinus-Signale bestimmbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß werden zur Offset-Korrektur der Sinus- und Cosinuswerte des Sinus- und Cosinus-Signals folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

– Erzeugung der den Sinus- und Cosinuswerten in einem Koordinatensystem entsprechenden geometrischen Ortskurve,
– Bestimmung von wenigsten drei Punkten auf der Ortskurve,
– Berechnung jeweils einer Mittelsenkrechten der die Punkte verbindenden Sehnen der Ortskurve,
– Bestimmen der Schnittpunkte von jeweils zwei Mittelsenkrechten, deren Sehnen einen gemeinsamen Punkt aufweisen,
– Bestimmen des Mittelwertpunktes aus den Schnittpunkten, wobei aus den Koordinatenwerten des Mittelwertpunktes die Offset-Werte für den Sinus- und Cosinuswert bestimmt werden, und
– Korrektur der Sinus- und Cosinuswerte mittels der Offset-Werte.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die aus den Sinus- und Cosinuswerten erzeugte Ortskurve, die aufgrund deren Offsets und unterschiedlichen Amplitudenwerten keinen idealen Kreis darstellt, sondern ellipsenförmig ist, mit wenigstens drei Punkten auf der Ortskurve ein Mittelwertpunkt bestimmt wird, dessen Koordinatenwerte für die Berechnung der Offset-Werte verwendet wird. Dieser Mittelwertpunkt wird als Mittelwert aus mehreren Mittelpunkten bestimmt, die entsprechend der geometrischen Konstruktion des Kreismittelpunkts an einem idealen Kreis mit Hilfe von paarweise sich schneidenden Mittelsenkrechten der mit diesen Punkten bestimmten Sehnen erzeugt werden.
Mit diesem Verfahren können die Offsets der Sinus- und Cosinus-Signale über einen sehr großen Drehzahlbereich, also insbesondere für sehr kleine als auch für sehr große Drehzahlen bestimmt werden, ist also unabhängig von der Drehzahl der elektrischen Maschine. Ferner hat sich auch gezeigt, dass dieses erfindungsgemäße Verfahren äußerst unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen, wie bspw. Rauschen und EMV-Störungen ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die wenigstens drei Punkte im Wesentlichen gleichmäßig verteilt auf der geschlossenen, ellipsenförmigen Ortskurve liegend bestimmt. Damit ist es möglich, dass es wenigstens zwei jeweils von zwei Mittelsenkrechten zweier Sehnen herrührenden Schnittpunkte gibt, aus denen ein Mittelwertpunkt berechnet werden kann, der mit hoher Genauigkeit mit dem tatsächlichen Mittelpunkt übereinstimmt. Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, wenn die wenigstens drei Punkte im Wesentlichen im Bereich der Extremwerte jeweils einer Koordinatenachse bestimmt werden, also im Bereich der maximalen und/oder minimalen Werte liegen, wodurch eine einfache softwaremäßige Umsetzung möglich ist.
Ferner wird die softwaremäßige Umsetzung weiter dadurch vereinfacht, dass gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zur Bestimmung von vier Punkten auf der Ortskurve mit jeweils parallel zu den Koordinatenachsen des Koordinatensystems verlaufenden Grenzgeraden vier Quadranten derart erzeugt werden, dass die Ortskurve durch alle vier Quadranten verläuft und jeweils ein Punkt auf der Ortskurve im Bereich des Übergangs von einem Quadranten in den benachbarten Quadranten bestimmt wird.
Wird mit derart bestimmten Punkten auf der Ortskurve der Mittelwertpunkt ermittelt und mit dessen Koordinatenwerten die Offset-Korrektur durchgeführt, kann bereits nach wenigen Umdrehungen des Rotors festgestellt werden, dass die auf den vier Punkten beruhenden Schnittpunkte der zugehörigen Mittelpunktsenkrechten mit dem tatsächlichen Mittelpunkt zusammenfallen.
Um den Lagewinkel des Rotors der elektrischen Maschine mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Amplitudenadaption der Sinus- und Cosinuswerte durchgeführt, vorzugweise ist es ausreichend, eine Amplitudenadaption nur des Sinus- oder nur des Cosinuswertes durchzuführen. Hierzu ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, mit den Koordinatenwerten von zwei Schnittpunkten zugehöriger Mittelsenkrechten eine Amplitudenadaption durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für alle rotierenden Elektromotoren und elektrischen Generatoren eingesetzt werden, insbesondere aber für Synchronmotoren, bei denen eine Synchronmotor-Regelung erforderlich ist, für die die genaue Position des Rotors erforderlich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Zeit-Spannungsdiagramm von mit einer Drehwinkel-Sensorvorrichtung erzeugten Sinus- und Cosinus-Signalen,
2 eine aus den Sinus- und Cosinus-Signalen gemäß 1 in einer x-y-Ebene erzeugte Ortskurve,
3 eine aus den Sinus- und Cosinus-Signalen gemäß 1 in einer x-y-Ebene erzeugte Ortskurve mit drei Punkten der Ortskurve zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 die gemäß 3 um einen vierten Punkt ergänzte Ortskurve,
5 eine aus den Sinus- und Cosinus-Signalen gemäß 1 in einer x-y-Ebene erzeugte Ortskurve zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Bestimmung von vier Punkten auf der Ortskurve für den Rechtslauf des Rotors eines elektronisch kommutierten Synchronmotors,
6 eine aus den Sinus- und Cosinus-Signalen gemäß 1 in einer x-y-Ebene erzeugte Ortskurve zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Bestimmung von vier Punkten auf der Ortskurve für den Linkslauf des Rotors eines elektronisch kommutierten Synchronmotors,
7 eine aus den Sinus- und Cosinus-Signalen gemäß 1 in einer x-y-Ebene erzeugte Ortskurve mit zwei Punkten auf der Ortslinie zur Erläuterung der Bestimmung einer Mittelsenkrechten gemäß der Erfindung,
8 eine Ortskurve gemäß 7 mit einem dritten Punkt zur Bestimmung eines ersten Schnittpunktes zweier Mittelsenkrechten gemäß der Erfindung,
9 eine aus den Sinus- und Cosinus-Signalen gemäß 1 in einer x-y-Ebene erzeugte Ortskurve nach einem ersten Zyklus einer Offset-Korrektur und einer Amplitudenadaption,
10 die nach 9 erzeugte Ortskurve nach mehreren Zyklen einer Offset-Korrektur und einer Amplitudenadaption, und
11 den Verlauf der Offset-Werte und der Adaptionswerte für die Amplitude in Abhängigkeit der Umdrehungen des Rotors eines elektronisch kommutierten Synchronmotors.
Wenn mit den gemäß 1 von einer Drehwinkel-Sensorvorrichtung eines Synchronmotors erzeugten Sinus- und Cosinus-Signale in einer x-y-Ebene eine Ortskurve K erzeugt wird, entsteht gemäß 2 bei unterschiedlichen Amplituden der Sinus- und Cosinus-Signale ein nichtidealer Kreis mit einer ellipsenartigen Form.
Diese Sinus- und Cosinus-Signale lassen sich in folgender Form darstellen: Sin = O_sin + V_sin·cosϕ Cos = O_cos + V_cos·sinϕ wobei O_sin und O_cos die Offsets der Signale und V_sin und V_cos deren Amplituden bezeichnen und ϕ den Lagewinkel des Rotors eines Synchronmotors darstellt. Bei gleichen Amplituden V_sin und V_cos würde die Ortskurve K einen idealen Kreis darstellen. Da diese Offsets als auch die unterschiedlichen Amplitudenwerte zu Messfehlern hinsichtlich des zu bestimmenden Lagewinkels ϕ des Rotors des Synchronmotors führen, müssen diese Größen aus den Sinus- und Cosinuswerten dieser Signale bestimmt und korrigiert bzw. adaptiert werden.
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung des Offsets und der Korrekturfaktoren für die Amplituden wird zunächst anhand der 3 und 4 erläutert.
Offset- und amplitudenkorrigierte Sinus- und Cosinus-Signale würden zu einem idealen Kreis als Ortskurve K führen. Es ist aus der geometrischen Konstruktion von Kreisen bekannt, mittels drei auf der Ortskurve K verteilten Punkten den Kreismittelpunkt dadurch zu bestimmen, dass auf den die Punkte verbindenden Kreissehnen die Mittelsenkrechten konstruiert werden, deren Schnittpunkt den Mittelpunkt des Kreises darstellt.
Liegt jedoch ein Amplitudenfehler vor, d. h. die Sinus- und Cosinus-Signale der Drehwinkel-Sensorvorrichtung weisen unterschiedliche Amplitudenwerte auf, führt diese Konstruktion dazu, dass der Schnittpunkt solcher Mittelsenkrechten gegenüber dem eigentlichen Mittelpunkt des Kreises verschoben ist, wie dies in 3 dargestellt ist.
Hiernach sind auf dieser Ortskurve K gemäß 3 drei Punkte P₁, P₂ und P₃ gewählt, wobei die Punkte P₁ und P₂ in y-Richtung im Bereich des Maximums bzw. Minimums liegen, der dritte Punkt P₃ im Bereich des Maximums in x-Richtung. Mit diesen drei Punkten P₁, P₂ und P₃ werden die zugehörigen Sehnen s₁₂ (Verbindung der Punkte P₁ und P₂) und s₂₃ (Verbindung der Punkte P₂ und P₃) konstruiert. Die Mittelsenkrechten g₁₂ (Mittelsenkrechte zur Sehne s₁₂) und g₂₃ (Mittelsenkrechte zur Sehne s₂₃) führen zu einem Schnittpunkt M₁₂₃. Dieser Schnittpunkt M₁₂₃ ist bei dieser in x-Richtung verbreiterten ellipsenförmigen Ortskurve K in x-Richtung verschoben.
Bei einer Ortskurve K mit einer in y-Richtung verbreiterten Ellipsenform würde bei entsprechender Lage der drei Punkte P₁, P₂ und P₃ ein solcher Schnittpunkt M₁₂₃ in negativer x-Richtung verschoben.
Zur Offset-Korrektur werden entsprechend der Darstellung nach 4 vier Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ auf der Ortskurve K ausgewählt, wobei im Vergleich zur 3 der vierte Punkt P₄ in x-Richtung im Bereich des Minimums der Sinuswerte des Sinus-Signals liegt.
In gleicher Weise wie im Zusammenhang mit 3 erläutert, werden die Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ durch Sehnen s₁₂, s₂₃, s₃₄ und s₄₁ verbunden und die zugehörigen Mittelsenkrechten g₁₂, g₂₃, g₃₄ und g₄₁ konstruiert. Jeweils die Mittelsenkrechten g₁₂ und g₂₃, g₂₃ und g₃₄ bzw. g₃₄ und g₄₁ benachbarter Sehnen s₁₂ und s₂₃, s₂₃ und s₃₄, s₃₄ und s₄₁ bzw. s₄₁ und s₁₂ führen zu einem Schnittpunkt M₁₂₃, M₂₃₄, M₃₄₁ und M₄₁₂, die jeweils gegenüber dem tatsächlichen Mittelpunkt M verschoben sind. Die sich schneidenden Mittelsenkrechten sind also auf Sehnen konstruiert, die einen gemeinsamen Punkt aufweisen. Wie weiter unten ausgeführt, wird aus diesen vier Schnittpunkten M₁₂₃, M₂₃₄, M₃₄₁ und M₄₁₂ ein Mittelwertpunkt gebildet, dessen Koordinatenwerte zur Bestimmung der Offsetwerte verwendet werden.
Im Folgenden wird anhand der 5 bis 8 der Prozess der Signalverarbeitung der von der Drehwinkel-Sensorvorrichtung als Spannungswerte abgegebenen Sinus- und Cosinuswerte zur Bestimmung der Offsetwerte und der Parameter zur Amplitudenadaption beschrieben.
In einem ersten Schritt werden vier passende Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ auf der von den Sinus- und Cosinuswerten erzeugten Ortskurve K bestimmt, die im Wesentlichen gleichmäßig verteilt auf der Ortskurve K liegen sollen.
Hierzu wird die x-y-Ebene im Bereich der Ortskurve K gemäß den 5 und 6 derart in vier Quadranten Q₁, Q₂, Q₃ und Q₄ mit parallel zu den Koordinatenachsen verlaufenden Grenzgeraden S1 und C1 aufgeteilt, dass die Grenzen jeweils im Bereich der Maxima bzw. der Minima in x- bzw. y-Richtung verlaufen. Gemäß den 4 und 5 gilt: S1 = 2,5 V und C1 = 2,5 V.
Gemäß 5 zeigt der Richtungspfeil D1 den Rechtslauf des Rotors des Synchronmotors an, wobei die Messung bzw. Erfassung der Sinus- und Cosinuswerte im vierten Quadranten Q₄ beginnt. Der erste Punkt P₁ auf der Ortskurve K wird bei Überschreitung der Grenzgeraden S1 in den ersten Quadranten Q1 bestimmt. Nachfolgend wird jeweils sukzessive bei Überschreitung der jeweiligen Grenzgeraden C1, S1 und wieder C1 die weiteren Punkte P₂, P₃ und P₄ bestimmt. Diese vier Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ werden so gewählt, dass deren Werte im Bereich der Grenzgeraden liegen, als im Bereich der Maxima bzw. Minima in x- und y-Richtung.
Bei einem Linkslauf des Rotors, wie mit dem Richtungspfeil D2 gemäß 6 dargestellt ist, beginnt der Messvorgang zur Bestimmung der vier Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ im ersten Quadranten Q₁. Bei Überschreitung der Grenzgeraden S1 in den vierten Quadranten Q₄ wird im Bereich der Grenzgeraden S1 der erste Punkt P₁ bestimmt. Danach wird ebenfalls in Drehrichtung D2 sukzessive bei Überschreitung einer Grenzgeraden C1, S1 und C1 die weiteren Punkte P₄, P₃ und P₂ bestimmt, wobei ebenso die Werte dieser Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ im Bereich der Maxima bzw. Minima in x- und y-Richtung liegen.
Für diese Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ bedeutet dies genauer, dass der Punkt P₁ in y-Richtung im Bereich des oberen Maximums, der Punkt P₂ in x-Richtung im Bereich des rechten Maximums, der Punkt P₃ in y-Richtung im Bereich des Minimums und der Punkt P₄ in x-Richtung im Bereich des linken Minimums liegt.
Die Signalverarbeitung erfolgt in einer Ansteuerschaltung des Synchronmotors, indem dieser die Sinus- und Cosinus-Signale als digitale Werte sowie die Werte der Grenzgeraden S1 und C1 zugeführt werden. Hieraus werden entsprechend dem beschriebenen Verfahren vier Punkte mi ihren Koordinatenwerten auf der von den Sinus- und Cosinus-Signalen erzeugten Ortskurve bestimmt.
Um möglichst eine hohe Genauigkeit der Offsetwerte zu erhalten, ist es erforderlich, dass die Punkte auf der Ortskurve K gleichmäßig verteilt sind, da ansonsten auch der zu bestimmende Lagewinkel ϕ des Rotors eine hohe Fehlerrate aufweist.
Das oben beschriebene Verfahren, die vier Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ mittels der die vier Quadranten bestimmenden Grenzgeraden S1 (x = S1) und C1 (y = C1) im Bereich der Übergänge zwischen den Quadranten zu bestimmen, lässt sich softwaremäßig leicht realisieren. Ebenso ist es möglich, diese Punkte so zu wählen, dass diese zwischen jeweils einem Übergang von einem zum benachbarten Quadranten liegen.
Durch diese Bestimmung der Punkte auf der Ortskurve ist es gewährleistet, dass selbst bei hohen Drehzahlen des Synchronmotors die Offsetwerte der Sinus- und Cosinus-Signale ermittelbar sind.
Nachdem im ersten Schritt die Koordinatenwerte der vier Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ vorliegen, wird in einem zweiten Schritt der Mittelpunkt der jeweiligen Sehnen berechnet.
Beispielhaft wird dies anhand von 7 erläutert, die die Ortskurve K mit zwei Punkten P₁ und P₂ und mit zugehöriger Sehne s₁₂ zeigt. Der Mittelpunkt C₁₂ wird mit folgender Formel (dargestellt in Vektorschreibweise) berechnet: C₁₂ = (P₁ + P₂)/2.
Die senkrecht in diesem Mittelpunkt C₁₂ auf der Sehne s₁₂ stehende Mittelsenkrechte g₁₂ wird gemäß folgender Formel, ebenfalls in Vektorschreibweise dargestellt, berechnet: g₁₂ = DM·(P₁ – P₂). wobei die Multiplikation mit der Rotationsmatrix DM zu einer 90°-Drehung führt.
In 8 ist auf der Ortskurve K ein weiterer Punkt P₃ eingezeichnet, so dass in gleicher Weise wie oben erläutert, die Mittelsenkrechte g₂₃ im Mittelpunkt C₂₃ der Sehne s₂₃ berechnet werden kann.
Nun wird der erste Schnittpunkt M₁₂₃ dieser beiden Mittelsenkrechten g₁₂ und g₂₃ mittels folgender Formel, ebenso in Vektorschreibweise dargestellt, berechnet: M₁₂₃ = C₁₂ + x₁₂·g₁₂ = C₂₃ + x₂₃·g₂₃, wobei mit den bereits berechneten Werten der Punkte C₁₂ und C₂₃ sowie den bestimmten Mittelsenkrechten als Geraden g₁₂ und g₂₃ die unbekannten Werte von x₁₂ und x₂₃ berechnet werden können. Man erhält für x₂₃: x₂₃ = ((C_23,y – C_12,y)/g_12,x – ((C_23,x – C_12,x)/g_12,x)/(g_23,x/g_12,x – g_23,y/g_12,y).
Daraus folgt für den gesuchten Schnittpunkt M₁₂₃ (in Vektordarstellung): M₁₂₃ = C₂₃ + x₂₃·g₂₃
In dieser Weise wird das Verfahren zur Berechnung der weiteren Schnittpunkte M₂₃₄, M₃₄₁ und M₄₁₂ unter Verwendung des vierten Punktes P₄ fortgesetzt.
So ergibt sich aus den Mittelsenkrechten g₂₃ und g₃₄ der Sehnen s₂₃ und s₃₄ der Schnittpunkt M₂₃₄, aus den Mittelsenkrechten g₃₄ und g₄₁ der Sehnen s₃₄ und s₄₁ der Schnittpunkt M₃₄₁ und der Schnittpunkt M₄₁₂ aus den Mittelsenkrechten g₄₁ und g₁₂ der Sehnen s₄₁ und s₁₂ (vergleich 4).
Im dritten Schritt des Verfahrens wir nun die Offsetkorrektur der Sinus- und Cosinuswerte der Sinus- und Cosinus-Signale durchgeführt.
Hierzu wird aus diesen Schnittpunkten M₁₂₃, M₂₃₄, M₃₄₁ und M₄₁₂ ein Mittelwertpunkt MP bestimmt, dessen Koordinatenwerte als Offsetwerte zur Korrektur der Sinus- und Cosinuswerte verwendet werden.
Dieser Mittelwertpunkt MP ergibt sich in Vektordarstellung gemäß MP = (M₁₂₃ + M₂₃₄ + M₃₄₁ + M₄₁₂)/4, mit den Koordinatenwerten MP_x und MP_y. Diese Situation ist in 9 mit diesem Mittelwertpunkt MP dargestellt, wobei diese Koordinatenwerte zur Berechnung der Offsetwerte für die Sinuswerte bzw. Cosinuswerte der Sinus- und Cosinus-Signale verwendet werden.
Die sukzessive Berechnung des Offset-Wertes Off_sin des Sinuswertes Sin bzw. des Offset-Wertes Off_cos des Cosinuswertes Cos erfolgt gemäß folgender Formel in Vektordarstellung: Off_sin = Off_sin + MP_x·α_off, und Off_cos = Off_cos + MP_Y·α_off, wobei als Startwert zur Beginn des Verfahrens MP_x bzw. MP_y verwendet wird.
Für den Adaptionsparameter α_off gilt: 0 < α_off < 1, wobei für α_off typischerweise 0,01 verwendet wird. Dabei wirkt dieser Adaptionsparameter α_off als Zeitkonstante hinsichtlich der Offset-Korrektur.
Zur Adaption der Amplitudenwerte der Sinus- und Cosinuswerte werden die Schnittpunkte M₁₂₃ und M₃₄₁ verwendet und die x-Werte M_123,x und M_341,x dieser Schnittpunkte nur zur Korrektur der Amplitudenverhältnisse des Sinus- und Cosinus-Signals verwendet, da in die Berechnung des Lagewinkels ϕ des Rotors gemäß der Formel Φ = arctan(Cos/Sin) nur die Amplitudenrelation der Sinuswerte Sin und Cosinuswerte Cos der Sinus- und Cosinus-Signale eingeht. Daher ist die Amplitudenadaption nur für eines der beiden Signale erforderlich, bspw. des Cosinuswertes Cos des Cosinus-Signals und wird gemäß folgender Formel (in Vektordarstellung) sukzessive durchgeführt: Ver_cos = Ver_cos – M_123,x·α_ver + M_341,x·α_ver, mit Ver_cos als Amplitudenadaptionsparameter, mit M_123,x und M_341,x als Startwert.
Für den Adaptionsparameter α_ver gilt: 0 < α_ver < 1, wobei für α_ver typischerweise 0,01 verwendet wird. Dabei wirkt dieser Adaptionsparameter α_ver ebenfalls als Zeitkonstante hinsichtlich der Adaption der Amplitude des Cosinus-Signals.
9 zeigt die Situation bei Beginn der Offset-Korrektur und der Adaption der Amplitude des Cosinus-Signals, wonach die vier Schnittpunkte M₁₂₃, M₂₃₄, M₃₄₁ und M₄₁₂ sich in ihrer Lage deutlich von dem Mittelwertpunkt MP unterscheiden. Nach ca. 50 Offset- und Adaptionszyklen fallen gemäß 10 alle Schnittpunkte M₁₂₃, M₂₃₄, M₃₄₁ und M₄₁₂ in einem Punkt M zusammen, der dem Mittelpunkt M der nunmehr fast kreisförmigen Ortskurve K entspricht.
Den Verlauf der Offsetwerte Off_cos und Off_sin sowie des Amplitudenadaptionsparameter Ver_cos zeigt als Kurven K1, K2 und K3 das Diagramm nach 11 in Abhängigkeit der „elektrischen” Umdrehungszahl, wonach diese Größen nach wenigen Umdrehungen gegen einen konstanten Wert konvergieren.
Mit diesen Offsetwerten Off_cos und Off_sin sowie mit dem Amplitudenadaptionsparameter Ver_cos werden die Sinus- und Cosinuswerte Sin und Cos der Sinus- und Cosinus-Signale gemäß folgenden Formeln (in Vektordarstellung) korrigiert: Sin_c = (Sin – Off_sin), Cos_c = (Cos – Off_cos)/Ver_cos.
Mit diesen korrigierten Sinus- und Cosinuswerten Sin_c und Cos_c wird der Lagewinkel ϕ des Rotors des Synchronmotors bestimmt und zur Regelung desselben verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007020943 A1 [0006]
DE 10309941 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Offsetabgleich einer Drehwinkel-Sensorvorrichtung, welche ein dem Lagewinkel ϕ des Rotors einer elektrischen Maschine entsprechendes Sinus- und Cosinus-Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Offset-Korrektur der Sinus- und Cosinuswerte (Sin, Cos) des Sinus- und Cosinus-Signals folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Erzeugung der den Sinus- und Cosinuswerten (Sin, Cos) in einem Koordinatensystem entsprechenden geometrischen Ortskurve (K), – Bestimmung von wenigsten drei Punkten (P₁, P₂, P₃, P₄) auf der Ortskurve (K), – Berechnung jeweils einer Mittelsenkrechten (g₁₂, g₂₃, g₃₄, g₄₁) der die Punkte (P₁, P₂, P₃, P₄) verbindenden Sehnen (s₁₂, s₂₃, s₃₄, s₄₁) der Ortskurve (K), – Bestimmen der Schnittpunkte (M₁₂₃, M₂₃₄, M₃₄₁, M₄₁₂) von jeweils zwei Mittelsenkrechten (g₁₂, g₂₃, g₃₄, g₄₁), deren Sehnen (s₁₂, s₂₃, s₃₄, s₄₁) einen gemeinsamen Punkt (P₁, P₂, P₃, P₄) aufweisen, – Bestimmen des Mittelwertpunktes (MP) aus den Schnittpunkten (M₁₂₃, M₂₃₄, M₃₄₁, M₄₁₂), wobei aus den Koordinatenwerten (MP_x, MP_y) des Mittelwertpunktes (MP) die Offset-Werte (Off_cos, Off_sin) für den Sinus- und Cosinuswert (Sin, Cos) bestimmt werden, und – Korrektur der Sinus- und Cosinuswerte (Sin, Cos) mittels der Offset-Werte (Off_cos, Off_sin).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Punkte (P₁, P₂, P₃, P₄) im Wesentlichen gleichmäßig verteilt auf der Ortskurve (K) liegend bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Punkte (P₁, P₂, P₃, P₄) im Wesentlichen im Bereich der Extremwerte jeweils einer Koordinatenachse bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von vier Punkten (P₁, P₂, P₃, P₄) auf der Ortskurve (K) mit jeweils parallel zu den Koordinatenachsen des Koordinatensystems verlaufenden Grenzgeraden (S1, C1) vier Quadranten (Q₁, Q₂, Q₃, Q₄) derart erzeugt werden, dass die Ortskurve (K) durch alle vier Quadranten (Q₁, Q₂, Q₃, Q₄) verläuft, und jeweils ein Punkt (P₁, P₂, P₃, P₄) auf der Ortskurve (K) im Bereich des Übergangs von einem Quadranten (Q₁, Q₂, Q₃, Q₄) in den benachbarten Quadranten (Q₁, Q₂, Q₃, Q₄) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitudenadaption der Sinus- und Cosinuswerte (Sin, Cos) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitudenadaption nur des Sinus- oder nur des Cosinuswertes (Sin, Cos) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Koordinatenwerten (M_123,x, M_341,x) von zwei Schnittpunkten (M₁₂₃, M₃₄₁) eine Amplitudenadaption durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Maschine ein Elektromotor, insbesondere ein Synchronmotor vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Synchronmotor mit elektronischer Kommutierung vorgesehen ist.