DE102010038638A1 - Method for monitoring determination of angle of rotor in electromotor, involves evaluating alternating voltage induced in rotor winding by exciting stator windings using test alternating voltages, to monitor rotor angle determination - Google Patents

Method for monitoring determination of angle of rotor in electromotor, involves evaluating alternating voltage induced in rotor winding by exciting stator windings using test alternating voltages, to monitor rotor angle determination Download PDF

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Abstract

The method involves exciting stator windings (1,2) of resolver provided with respect to rotor winding (3) of electromotor by test alternating voltages having specific excitation frequency. The test alternating voltages are produced such that an alternating voltage is induced in the rotor winding. The alternating voltage induced in the rotor winding is evaluated to monitor whether angle of rotor is within preset range. Independent claims are included for the following: (1) device for monitoring determination of rotor angle; and (2) system for monitoring determination of rotor angle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers sowie ein System.The invention relates to a method and an apparatus for monitoring the determination of a rotor angle of a rotating shaft by means of a resolver and a system.

Bei Maschinen, die mittels elektrischer Antriebe bewegt werden, dient häufig ein so genannter Resolver zum Bestimmen 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.In machines which are moved by means of electric drives, often serves a so-called resolver for determining machine movements by the resolver detects a rotor angle or a rotor angle change coupled to an electric motor rotating shaft, whereby a position of a machine element can be determined, which by means of electric drive or the shaft is moved.

Resolver sind kostengünstige, magnetisch arbeitende Geber. Sie nutzen die winkelabhängige Kopplung zwischen mindestens einer Rotorwicklung und mindestens zwei Statorwicklungen aus. Typischerweise 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.Resolvers are low-cost, magnetic encoders. They exploit the angle-dependent coupling between at least one rotor winding and at least two stator windings. Typically, a resolver includes a first stator winding, a second stator winding whose winding axis is perpendicular to the winding axis of the first stator winding, and a rotor winding rotationally connected to the rotating shaft. The two stator windings are usually fixedly arranged in a housing of a transmitter. Resolvers directly deliver the rotor angle within a double pole pitch. From the angle change, the speed can be determined. Incidentally, reference is also made to the relevant specialist literature.

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.In safety-critical applications, diagnosability of the encoder system used is required. In order to be able to use a low-cost resolver as encoder for safety-critical applications, it is therefore necessary in addition to the determination of the rotor angle by means of the resolver a plausibility or monitoring of the resolver function takes place, for example, to be able to detect malfunctions or defects of the resolver and for this Case to cause a shutdown of the electric drive.

In der DE 38 34 384 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers beschrieben, bei dem zwei Statorwicklungen mit Erregerwechselspannungen beaufschlagt werden, wobei Amplituden der Erregerwechselspannungen derart mittels eines Reglers erzeugt werden, dass in der Rotorwicklung aufgrund der Erregerwechselspannungen in einem eingeregeltem Zustand keine Spannung induziert wird, wobei eine Stellgröße des Reglers den Rotorwinkel abbildet. Da aufgrund der Amplitudenregelung der Erregerwechselspannungen im eingeregelten Zustand keine Spannung in der Rotorwicklung induziert wird, kann ein Kurzschluss der Erregerwicklung systematisch nicht von dem eingeregelten Zustand unterschieden werden.In the DE 38 34 384 A1 a method is described for determining a rotor angle of a rotating shaft by means of a resolver in which two stator windings are supplied with excitation alternating voltages, amplitudes of the excitation alternating voltages being generated by means of a regulator such that no voltage is induced in the rotor winding due to the excitation alternating voltages in a regulated state , wherein a manipulated variable of the controller depicts the rotor angle. Since no voltage is induced in the rotor winding due to the amplitude control of the exciter AC voltages in the adjusted state, a short circuit of the exciter winding can not be systematically distinguished from the adjusted state.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2009 046 925 ist ein auf der DE 38 34 384 A1 basierendes Verfahren zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers beschrieben, bei dem Testwechselspannungen zur Überwachung der Resolverfunktion verwendet werden, deren Frequenz sich von der Frequenz der Erregerwechselspannungen unterscheidet.In the not previously published German patent application DE 10 2009 046 925 is one on the DE 38 34 384 A1 described method for monitoring the determination of a rotor angle of a rotating shaft by means of a resolver, are used in the test AC voltages for monitoring the resolver function, the frequency of which differs from the frequency of the exciter AC voltages.

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.The invention has for its object to provide a method and an apparatus for monitoring the determination of a rotor angle of a rotating shaft by means of a resolver and a system to provide a reliable and inexpensive to implement monitoring and in particular easily in conventional systems for angle determination with resolver can be integrated.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 8 und ein System nach Anspruch 9.The invention achieves this object by a method according to claim 1, a device according to claim 8 and a system according to claim 9.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren Wortlaut hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.Preferred embodiments are the subject of the subclaims, the wording of which is hereby incorporated by reference into the content of the description.

Bei dem Verfahren zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers umfasst der Resolver eine erste Statorwicklung, mindestens eine zweite Statorwicklung, deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der ersten Statorwicklung um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere 90°, gedreht ist, und mindestens eine Rotorwicklung, die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist. Zum Bestimmen des Rotorwinkels werden folgende Schritte durchgeführt: Beaufschlagen der ersten Statorwicklung mit einer ersten, insbesondere sinusförmigen, Erregerwechselspannung mit einer Erregerfrequenz und einer ersten Amplitude, Beaufschlagen der mindestens einen zweiten Statorwicklung mit einer zweiten, insbesondere sinusförmigen, Erregerwechselspannung mit der Erregerfrequenz und einer zweiten Amplitude, und Erzeugen der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude mittels eines Reglers derart, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung in einem eingeregeltem bzw. stationären Zustand keine Spannung induziert wird, wobei eine Stellgröße des Reglers den Rotorwinkel abbildet. Ein derartiges Verfahren ist in der Offenlegungsschrift DE 38 34 384 A1 beschrieben, die insoweit durch Bezugnahme zum Gegenstand der Beschreibung gemacht wird, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden. Zum Überwachen des Bestimmens des Rotorwinkels werden folgende Schritte durchgeführt: Beaufschlagen der ersten Statorwicklung mit einer ersten, insbesondere sinusförmigen, Testwechselspannung mit der Erregerfrequenz und Beaufschlagen der mindestens einen zweiten Statorwicklung mit einer zweiten, insbesondere sinusförmigen, Testwechselspannung mit der Erregerfrequenz, wobei die erste und die zweite Testwechselspannung derart, insbesondere rotorwinkelabhängig, d. h. in Abhängigkeit von der Stellgröße des Reglers, erzeugt werden, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung, insbesondere dauerhaft, eine Wechselspannung induziert wird. Es versteht sich, dass die Erregerwechselspannungen und/oder die Testwechselspannungen auch durch entsprechende Erregerwechselströme bzw. Testwechselströme ersetzbar sind. Die in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung induzierte Wechselspannung bzw. die aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung induzierten Signalanteile kann/können zur Plausibilisierung/Überwachung der Resolverfunktion verwendet werden, d. h. durch Auswerten der aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung in der Rotorwicklung induzierten Wechselspannung kann überwacht werden, ob der Rotorwinkel ordnungsgemäß bestimmt wird oder ob sich fehlerhafte Betriebszustände eingestellt haben. Da Aufgrund der Amplitudenregelung der Erregerwechselspannungen im eingeregelten Zustand keine Spannung in der Rotorwicklung induziert wird, kann herkömmlich beispielsweise ein Kurzschluss der Erregerwicklung systematisch nicht von dem eingeregelten Zustand unterschieden werden. Aufgrund der Testwechselspannungen wird jedoch auch im eingeregelten Zustand eine Spannung in der Erregerwicklung induziert, sodass der Kurzschlusszustand detektierbar ist.In the method for monitoring the determination of a rotor angle of a rotating shaft by means of a resolver, the resolver comprises a first stator winding, at least one second stator winding whose winding axis is rotated to the winding axis of the first stator winding by a predetermined angle, in particular 90 °, and at least one rotor winding , which is rotatably connected to the rotating shaft. The following steps are carried out to determine the rotor angle: applying a first, in particular sinusoidal, excitation alternating voltage having an excitation frequency and a first amplitude, applying a second, in particular sinusoidal, excitation alternating voltage having the exciter frequency and a second amplitude to the at least one second stator winding and generating the first amplitude and the second amplitude by means of a regulator such that no voltage is induced in the at least one rotor winding due to the first and the second exciter AC voltage in a controlled or stationary state, wherein a manipulated variable of the regulator maps the rotor angle. Such a method is in the published patent application DE 38 34 384 A1 described so far by reference to the subject matter of the description in order to avoid unnecessary repetition. To the Monitoring the determination of the rotor angle, the following steps are carried out: applying the first stator winding with a first, in particular sinusoidal, test alternating voltage with the excitation frequency and charging the at least one second stator winding with a second, in particular sinusoidal, test alternating voltage with the exciter frequency, wherein the first and the second Test AC voltage such, in particular rotorwinkelabhängig, ie generated in dependence on the manipulated variable of the controller, that in the at least one rotor winding due to the first and the second test AC voltage, in particular permanently, an AC voltage is induced. It is understood that the excitation alternating voltages and / or the test alternating voltages can also be replaced by corresponding excitation alternating currents or test alternating currents. The alternating voltage induced in the at least one rotor winding on the basis of the first and the second test alternating voltage or the signal components induced on the basis of the first and the second test alternating voltage can be used for checking the plausibility of the resolver function, ie by evaluating the test voltage based on the first and the second test alternating voltage AC voltage induced in the rotor winding can be monitored as to whether the rotor angle is properly determined or whether erroneous operating conditions have set. Since no voltage is induced in the rotor winding due to the amplitude regulation of the excitation alternating voltages in the adjusted state, conventionally, for example, a short circuit of the excitation winding can not be systematically distinguished from the controlled state. Due to the test alternating voltages, however, a voltage is induced in the excitation winding even in the adjusted state, so that the short-circuit state can be detected.

In einer Weiterbildung werden die erste und die zweite Testwechselspannung in Abhängigkeit von dem Rotorwinkel derart erzeugt, dass ein aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung erzeugtes magnetisches Wechselfeld im Wesentlichen parallel zur Wicklungsachse der Rotorwicklung verläuft.In a development, the first and the second test alternating voltage are generated as a function of the rotor angle in such a way that an alternating magnetic field generated on the basis of the first and the second test alternating voltage runs essentially parallel to the winding axis of the rotor winding.

In einer Weiterbildung weist die erste Testwechselspannung eine dritte Amplitude auf und ist zur ersten bzw. zweiten Erregerwechselspannung, insbesondere um 90°, phasenverschoben und die zweite Testwechselspannung weist eine vierte Amplitude auf und ist zur ersten bzw. zweiten Erregerwechselspannung, insbesondere um 90°, phasenverschoben, wobei die dritte Amplitude und die vierte Amplitude derart erzeugt werden, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung die Wechselspannung induziert wird.In a development, the first test alternating voltage has a third amplitude and is phase-shifted to the first or second excitation alternating voltage, in particular by 90 °, and the second test alternating voltage has a fourth amplitude and is phase-shifted to the first or second excitation alternating voltage, in particular by 90 ° wherein the third amplitude and the fourth amplitude are generated in such a way that the alternating voltage is induced in the at least one rotor winding on the basis of the first and the second test alternating voltage.

In einer Weiterbildung ist die erste Erregerwechselspannung darstellbar als Ue1 = sin(φ)·sin(wt), wobei φ die Stellgröße des Reglers bezeichnet, w eine Winkelgeschwindigkeit bezeichnet und t die Zeit bezeichnet, die zweite Erregerwechselspannung ist darstellbar als Ue2 = cos(φ)·sin(wt), die erste Testwechselspannung ist darstellbar als Ut1 = cos(φ)·cos(wt) und die zweite Testwechselspannung ist darstellbar als Ut2 = –sin(φ)·cos(wt).In a further development, the first exciting AC voltage is represented as Ue1 = sin (φ) · sin (wt), where φ denotes the manipulated variable of the controller, w denotes an angular velocity and t denotes the time, the second excitation alternating voltage can be represented as Ue2 = cos (φ ) · Sin (wt), the first test alternating voltage can be represented as Ut1 = cos (φ) · cos (wt) and the second test alternating voltage can be represented as Ut2 = -sin (φ) · cos (wt).

In einer Weiterbildung werden zum Bestimmen des Rotorwinkels nur solche in der Rotorwicklung induzierte Signalanteile verwendet, die von der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung bewirkt sind, d. h. bei der Rotorwinkelbestimmung werden die Beiträge der Testwechselspannungen unterdrückt.In a further development, only those signal components induced in the rotor winding, which are caused by the first and the second excitation alternating voltage, are used to determine the rotor angle. H. When determining the rotor angle, the contributions of the test alternating voltages are suppressed.

In einer Weiterbildung werden Signalanteile, die aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung in der Rotorwicklung induziert sind, zum Ermitteln eines Leitungsbruchs, eines Kurzschlusses und/oder eines mechanischen Defekts des Resolvers ausgewertet.In a further development, signal components which are induced in the rotor winding on the basis of the first and the second test alternating voltage are evaluated for determining a line break, a short circuit and / or a mechanical defect of the resolver.

In einer Weiterbildung wird eine in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung und der ersten und der zweiten Testwechselspannung induzierte Spannung mittels IQ(In-Phasen/Quadratur)-Demodulation in Signalanteile, die aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung in der Rotorwicklung induziert werden, und in Signalanteile, die aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung in der Rotorwicklung induziert werden, separiert. Auf diese Weise kann eine Auswertung getrennt nach Signalanteilen erfolgen, d. h. das Bestimmen des Rotorwinkels kann herkömmlich auf Basis nur derjenigen Signalanteile erfolgen, die ausschließlich aufgrund der Erregerwechselspannungen in der Rotorwicklung induziert werden, ohne dass hierfür aufwendige Filter zum Unterdrücken derjenigen insoweit störenden Signalanteile erforderlich sind, die von den Testwechselspannungen herrühren. Die separierten Signalanteile der Testwechselspannungen werden zum Überwachen des Bestimmens des Rotorwinkels ausgewertet.In a further development, a voltage induced in the at least one rotor winding on the basis of the first and the second excitation AC voltage and the first and the second test AC voltage by means of IQ (in-phase / quadrature) demodulation into signal components, which due to the first and the second test AC voltage in the Rotor coil are induced, and in signal components, which are induced due to the first and the second excitation AC voltage in the rotor winding, separated. In this way, an evaluation can be made separately according to signal components, d. H. The determination of the rotor angle can conventionally be carried out on the basis of only those signal components which are induced exclusively in the rotor winding due to the excitation alternating voltages, without the need for elaborate filters for suppressing those signal components which are disturbing in this respect, which result from the test alternating voltages. The separated signal components of the test AC voltages are evaluated to monitor the determination of the rotor angle.

Die Vorrichtung zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle ist zur Durchführung des oben genannten Verfahrens ausgebildet und umfasst: Mittel zum Beaufschlagen der ersten Statorwicklung mit einer ersten, insbesondere sinusförmigen, Erregerwechselspannung mit einer Erregerfrequenz und einer ersten Amplitude, Mittel zum Beaufschlagen der mindestens einen zweiten Statorwicklung mit einer zweiten, insbesondere sinusförmigen, Erregerwechselspannung mit der Erregerfrequenz und einer zweiten Amplitude, und einen Regler zum Erzeugen der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude derart, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung in einem eingeregeltem Zustand keine Spannung induziert wird, wobei eine Stellgröße des Reglers den Rotorwinkel abbildet, Mittel zum Beaufschlagen der ersten Statorwicklung mit einer ersten, insbesondere sinusförmigen, Testwechselspannung mit der Erregerfrequenz, Mittel zum Beaufschlagen der mindestens einen zweiten Statorwicklung mit einer zweiten, insbesondere sinusförmigen, Testwechselspannung mit der Erregerfrequenz, wobei die erste und die zweite Testwechselspannung derart erzeugt werden, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung eine Wechselspannung induziert wird, und Mittel zum Auswerten der aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung in der Rotorwicklung induzierten Wechselspannung zum Überwachen des ordnungsgemäßen Bestimmens des Rotorwinkels.The device for monitoring the determination of a rotor angle of a rotating shaft is designed to carry out the above-mentioned method and comprises: means for applying to the first stator winding a first, in particular sinusoidal, excitation alternating voltage having an excitation frequency and a first amplitude, means for applying the at least one second stator winding with a second, in particular sinusoidal, exciting voltage with the exciting frequency and a second amplitude, and a controller for generating the first amplitude and the second amplitude such that no voltage is induced in the at least one rotor winding due to the first and the second excitation AC voltage in a regulated state, wherein a manipulated variable of the controller images the rotor angle, means for applying a first, in particular sinusoidal, test alternating voltage to the first stator winding with the exciter frequency, means for acting on the at least one second stator winding with a second, in particular sinusoidal, test alternating voltage with the excitation frequency, wherein the first and the second test alternating voltage are generated such that in the at least one rotor winding due to the first and the second test alternating voltage an alternating voltage and means for evaluating the AC voltage induced in the rotor winding due to the first and second test AC voltages to monitor the proper determination of the rotor angle.

Das System umfasst einen Resolver sowie eine oben genannte Resolver-Überwachungsvorrichtung.The system includes a resolver as well as an above-mentioned resolver monitor.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigt. Hierbei zeigt schematisch:The invention will now be described with reference to the accompanying drawing, which shows preferred embodiments of the invention. This shows schematically:

1 ein erfindungsgemäßes System zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers. 1 a system according to the invention for monitoring the determination of a rotor angle of a rotating shaft by means of a resolver.

1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes System 100 mit einem Resolver sowie einer Vorrichtung zum Überwachen der ordnungsgemäßen Funktion des Resolvers. 1 schematically shows a system according to the invention 100 with a resolver and a device to monitor the correct operation of the resolver.

Der Resolver weist eine erste Statorwicklung 1, eine zweite Statorwicklung 2, deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der ersten Statorwicklung 1 um 90° gedreht ist, und eine Rotorwicklung 3 auf, die mit einer nicht gezeigten, rotierenden Welle drehfest verbunden ist. Ein zu bestimmender tatsächlicher Rotorwinkel ist mit α bezeichnet, wobei der tatsächliche Rotorwinkel α messtechnisch auf einen gemessenen Rotorwinkel φ abgebildet wird.The resolver has a first stator winding 1 , a second stator winding 2 whose winding axis to the winding axis of the first stator winding 1 rotated by 90 °, and a rotor winding 3 on, which is rotatably connected to a rotating shaft, not shown. An actual rotor angle to be determined is designated α, wherein the actual rotor angle α is mapped by measurement to a measured rotor angle φ.

Das System bzw. der Resolver umfasst Mittel 6 zum Beaufschlagen der ersten Statorwicklung 1 mit einer ersten sinusförmigen Erregerwechselspannung Ue1 = sin(φ)·sin(2πfet) = sin(φ)·sin(wt) mit einer Erregerfrequenz fe von 4 kHz und einer ersten rotorwinkelabhängigen Amplitude sin(φ), Mittel 7 zum Beaufschlagen der ersten Statorwicklung 1 mit einer ersten sinusförmigen Testwechselspannung Ut1 = cos(φ)·cos(wt) mit der Erregerfrequenz fe und der Amplitude cos(φ), wobei die erste Erregerwechselspannung Ue1 und die erste Testwechselspannung Ut1 mittels eines Summierglieds 5 addiert bzw. überlagert werden, Mittel 10 zum Beaufschlagen der zweiten Statorwicklung 2 mit einer zweiten sinusförmigen Erregerwechselspannung cos(φ)·sin(wt) mit der Erregerfrequenz fe und der Amplitude cos(φ), Mittel 11 zum Beaufschlagen der zweiten Statorwicklung 2 mit einer zweiten sinusförmigen Testwechselspannung Ut2 = –sin(φ)·cos(wt) mit der Erregerfrequenz fe und der Amplitude –sin(φ), wobei die zweite Erregerwechselspannung Ue2 und die zweite Testwechselspannung Ut2 mittels eines Summierglieds 9 addiert bzw. überlagert werden, einen A/D-Wandler 14, der eine in der Rotorwicklung 3 induzierte Wechselspannung digitalisiert, einen Regler 12, der den gemessenen Rotorwinkel in Form einer Stellgröße φ ausgibt, eine Recheneinheit 13, die aus der Stellgröße φ die Größen sin(φ) und cos(φ) berechnet und an die Mittel 6 bzw. 10 ausgibt, und Mittel 15 zum Auswerten von Signalanteilen, die aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung Ut1 und Ut2 in der Rotorwicklung 3 induziert werden.The system or resolver comprises means 6 for applying the first stator winding 1 with a first sinusoidal excitation alternating voltage Ue1 = sin (φ) · sin (2πf e t) = sin (φ) · sin (wt) with an excitation frequency f e of 4 kHz and a first rotor angle-dependent amplitude sin (φ), means 7 for applying the first stator winding 1 with a first sinusoidal test alternating voltage Ut1 = cos (φ) * cos (wt) with the excitation frequency f e and the amplitude cos (φ), wherein the first excitation alternating voltage Ue1 and the first test alternating voltage Ut1 by means of a summing element 5 be added or superimposed, means 10 for acting on the second stator winding 2 with a second sinusoidal excitation alternating voltage cos (φ) · sin (wt) with the excitation frequency f e and the amplitude cos (φ), means 11 for acting on the second stator winding 2 with a second sinusoidal test alternating voltage Ut2 = -sin (φ) · cos (wt) with the exciter frequency f e and the amplitude -sin (φ), wherein the second excitation alternating voltage Ue2 and the second test alternating voltage Ut2 by means of a summing 9 be added or superimposed, an A / D converter 14 , one in the rotor winding 3 induced AC voltage digitized, a regulator 12 , which outputs the measured rotor angle in the form of a manipulated variable φ, a computing unit 13 , which calculates the variables sin (φ) and cos (φ) from the manipulated variable φ and to the means 6 respectively. 10 spends and funds 15 to evaluate signal components due to the first and second test AC voltages Ut1 and Ut2 in the rotor winding 3 be induced.

Die Mittel 6, 7, 10 und 11 können als Mischer realisiert sein, die mit den Trägersignalen sin(wt) bzw. cos(wt) beaufschlagt sind, und können Verstärker usw. enthalten, um die Signale Ue1, Ue2, Ut1 bzw. Ut2 mit geeigneten Pegeln und Signalformen zu erzeugen. Die Mittel bzw. Elemente 5, 6 und 7 sind in einer Einheit 4 zusammengefasst, die an ihrem Ausgang ein Signal Ue1 + Ut1 an die erste Statorwicklung 1 ausgibt. Entsprechend sind die Mittel bzw. Elemente 9, 10 und 11 in einer Einheit 8 zusammengefasst, die an ihrem Ausgang ein Signal Ue2 + Ut2 an die zweite Statorwicklung 2 ausgibt.The means 6 . 7 . 10 and 11 may be implemented as mixers applied with the carrier signals sin (wt) and cos (wt), respectively, and may include amplifiers, etc., to generate the signals Ue1, Ue2, Ut1, and Ut2, respectively, with appropriate levels and waveforms. The means or elements 5 . 6 and 7 are in one unit 4 summarized, at its output a signal Ue1 + Ut1 to the first stator winding 1 outputs. Accordingly, the means or elements 9 . 10 and 11 in one unit 8th summarized, at its output a signal Ue2 + Ut2 to the second stator winding 2 outputs.

Der Regler 12, der als PI-Glied mit nachgeschaltetem I-Glied realisiert ist, erzeugt die Stellgröße φ derart, dass in der Rotorwicklung 3 aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung Ue1 und Ue2 in einem eingeregelten Zustand keine Spannung induziert wird, wobei die Stellgröße φ des Reglers den tatsächlichen Rotorwinkel α abbildet. Im eingeregelten Zustand gilt theoretisch α = φ. Die gezeigten Elemente können zumindest teilweise in Gestalt eines Mikroprozessors oder eines Signalprozessors 304 und zugehöriger Software verwirklicht sein. Im Übrigen sei auch auf die DE 38 34 384 A1 verwiesen.The regulator 12 , which is realized as a PI element with a downstream I-element, generates the manipulated variable φ such that in the rotor winding 3 due to the first and the second excitation AC voltage Ue1 and Ue2 in a controlled state, no voltage is induced, wherein the manipulated variable φ of the controller depicts the actual rotor angle α. In the adjusted state theoretically α = φ. The elements shown may be at least partially in the form of a microprocessor or a signal processor 304 and associated software. Incidentally, also on the DE 38 34 384 A1 directed.

Der A/D-Wandler 14 tastet die in der Rotorwicklung 3 induzierte Wechselspannung bezogen auf die Phasenlage des Trägersignals sin(wt) ab, wobei an einem Ausgang 14a des A/D-Wandlers 14 ein Wert ausgegeben wird, der an Zeitpunkten abgetastet wird, für die wt = 0° bzw. wt = 180° gilt, und an einem Ausgang 14b des A/D-Wandlers 14 ein Wert ausgegeben wird, der an Zeitpunkten abgetastet wird, für die wt = 90° bzw. wt = 270° gilt. Mittels des A/D-Wandlers 14 wird folglich die in der Rotorwicklung 3 aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung Ue1 und Ue2 und der ersten und der zweiten Testwechselspannung Ut1 und Ut2 induzierte Spannung mittels IQ-Demodulation in Signalanteile, die aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung Ut1 und Ut2 in der Rotorwicklung induziert werden, und in Signalanteile, die aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung Ue1 und Ue2 in der Rotorwicklung induziert werden, separiert.The A / D converter 14 scans the in the rotor winding 3 induced AC voltage with respect to the phase position of the carrier signal sin (wt), wherein at one output 14a of the A / D converter 14 a value is output which is sampled at times for which wt = 0 ° or wt = 180 ° and at an output 14b of the A / D converter 14 a value is output which is sampled at times for which wt = 90 ° or wt = 270 °. By means of the A / D converter 14 thus becomes the one in the rotor winding 3 due to the first and the second Exciter AC voltage Ue1 and Ue2 and the first and second test AC voltage Ut1 and Ut2 induced voltage by means of IQ demodulation in signal components, which are induced in the rotor winding due to the first and second test AC voltage Ut1 and Ut2, and in signal components due to the first and the second excitation AC voltage Ue1 and Ue2 are induced in the rotor winding, separated.

Der durch die Erregerwechselspannungen Ue1 und Ue2 bewirkte Signalanteil dient als Istwert für den Regler 12.The signal component caused by the excitation alternating voltages Ue1 and Ue2 serves as the actual value for the regulator 12 ,

Der durch die Testwechselspannungen Ut1 und Ut2 bewirkte Signalanteil dient als Eingangsgröße für die Mittel 15 zum Überwachen des ordnungsgemäßen Bestimmens des Rotorwinkels. Um einen Defekt des Resolvers zu detektieren, wird in den Mitteln 15 überprüft, ob diejenigen Signalanteile in der Rotorwicklung 3, die von den Testwechselspannungen Ut1 und Ut2 bewirkt werden, von denen im Normalzustand abweichen. Ist dies der Fall, kann auf einen Fehler bei der Bestimmung bzw. einen Defekt des Resolvers geschlossen werden.The signal component caused by the test alternating voltages Ut1 and Ut2 serves as input for the means 15 for monitoring the proper determination of the rotor angle. To detect a defect of the resolver, is in the means 15 Checks if those signal components in the rotor winding 3 , which are caused by the test alternating voltages Ut1 and Ut2, which deviate in the normal state. If this is the case, an error in the determination or a defect of the resolver can be concluded.

Die aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung Ut1 und Ut2 in der Rotorwicklung 3 induzierten Signalanteile können beispielsweise zum Ermitteln eines Kurzschlusses der Rotorwicklung 3 ausgewertet werden, wobei ein solcher Kurzschluss herkömmlich aufgrund der Amplitudenregelung der Erregerwechselspannungen Ue1 und Ue2 nicht detektierbar wäre, da im eingeregelten Zustand durch die Erregerwechselspannungen Ue1 und Ue2 bedingte Signalanteile verschwinden. Zur Kurzschlussüberprüfung ist lediglich zu überprüfen, ob die aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung Ut1 und Ut2 in der Rotorwicklung 3 induzierten Signalanteile verschwinden. Ist dies der Fall, liegt ein Kurzschluss vor.The due to the first and the second test AC voltage Ut1 and Ut2 in the rotor winding 3 induced signal components, for example, to determine a short circuit of the rotor winding 3 be evaluated, with such a short circuit would conventionally not be detectable due to the amplitude control of the exciter AC voltages Ue1 and Ue2, since in the adjusted state by the exciter AC voltages Ue1 and Ue2 conditional signal components disappear. For the short circuit check is only to check whether the due to the first and the second test AC voltage Ut1 and Ut2 in the rotor winding 3 induced signal components disappear. If this is the case, there is a short circuit.

Bei den gezeigten Ausführungsformen umfasst der Resolver zwei Statorwicklungen und eine Rotorwicklung. Es versteht sich, dass die Erfindung auch für Resolver anwendbar ist, die beispielsweise drei oder mehr Statorwicklungen und/oder 2 oder mehr Rotorwicklungen aufweisen. Die Erreger- bzw. Testfrequenzen können selbstverständlich auch andere als die genannten Werte aufweisen.In the illustrated embodiments, the resolver includes two stator windings and a rotor winding. It is understood that the invention is also applicable to resolvers having, for example, three or more stator windings and / or 2 or more rotor windings. Of course, the excitation or test frequencies may also have values other than those mentioned.

Die gezeigten Ausführungsformen ermöglichen eine zuverlässige und kostengünstig implementierbare Resolver-Überwachung und sind leicht in herkömmliche Systeme zur Winkelbestimmung mit Resolver integrierbar.The embodiments shown enable a reliable and cost-effective implementable resolver monitoring and are easily integrable in conventional systems for angle determination with resolver.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102009046925 [0006] DE 102009046925 [0006]

Claims (9)

Verfahren zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels (α) einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers, – wobei der Resolver umfasst: – eine erste Statorwicklung (1), – mindestens eine zweite Statorwicklung (2), deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der ersten Statorwicklung um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere 90°, gedreht ist, und – mindestens eine Rotorwicklung (3), die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist, – wobei zum Bestimmen des Rotorwinkels folgende Schritte durchgeführt werden: – Beaufschlagen der ersten Statorwicklung mit einer ersten, insbesondere sinusförmigen, Erregerwechselspannung (Ue1) mit einer Erregerfrequenz (fe) und einer ersten Amplitude (sinφ), – Beaufschlagen der mindestens einen zweiten Statorwicklung mit einer zweiten, insbesondere sinusförmigen, Erregerwechselspannung (Ue2) mit der Erregerfrequenz und einer zweiten Amplitude (cosφ), und – Erzeugen der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude mittels eines Reglers (12) derart, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung in einem eingeregeltem Zustand keine Spannung induziert wird, wobei eine Stellgröße (φ) des Reglers den Rotorwinkel abbildet, dadurch gekennzeichnet, dass – zum Überwachen des Bestimmens des Rotorwinkels folgende Schritte durchgeführt werden: – Beaufschlagen der ersten Statorwicklung mit einer ersten, insbesondere sinusförmigen, Testwechselspannung (Ut1) mit der Erregerfrequenz, – Beaufschlagen der mindestens einen zweiten Statorwicklung mit einer zweiten, insbesondere sinusförmigen, Testwechselspannung (Ut2) mit der Erregerfrequenz, wobei die erste und die zweite Testwechselspannung derart erzeugt werden, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung eine Wechselspannung induziert wird, und – Auswerten der aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung in der mindestens einen Rotorwicklung induzierten Wechselspannung zum Überwachen des ordnungsgemäßen Bestimmens des Rotorwinkels.Method for monitoring the determination of a rotor angle (α) of a rotating shaft by means of a resolver, - wherein the resolver comprises: - a first stator winding ( 1 ), - at least one second stator winding ( 2 ) whose winding axis is rotated to the winding axis of the first stator winding by a predetermined angle, in particular 90 °, and - at least one rotor winding ( 3 ), which is rotationally fixedly connected to the rotating shaft, - wherein the following steps are carried out for determining the rotor angle: - impinging the first stator winding with a first, in particular sinusoidal, exciting voltage (Ue1) having an excitation frequency (f e ) and a first amplitude ( sinφ), - applying to the at least one second stator winding with a second, in particular sinusoidal, exciting voltage (Ue2) with the excitation frequency and a second amplitude (cosφ), and - generating the first amplitude and the second amplitude by means of a regulator ( 12 ) in such a way that no voltage is induced in the at least one rotor winding due to the first and the second exciter AC voltage in a controlled state, wherein a manipulated variable (φ) of the regulator depicts the rotor angle, characterized in that - for monitoring the determination of the rotor angle the following steps the first stator winding is subjected to a first, in particular sinusoidal, test alternating voltage (Ut1) with the exciter frequency, - the second, in particular sinusoidal, test alternating voltage (Ut2) is applied to the exciter frequency, the first and the second test alternating voltage can be generated in such a way that an alternating voltage is induced in the at least one rotor winding on the basis of the first and the second test alternating voltage, and - evaluating the voltage induced in the at least one rotor winding on the basis of the first and the second test alternating voltage AC voltage for monitoring the proper determination of the rotor angle. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Testwechselspannung in Abhängigkeit von dem Rotorwinkel derart erzeugt werden, dass ein aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung erzeugtes magnetisches Wechselfeld im Wesentlichen parallel zur Wicklungsachse der Rotorwicklung verläuft.A method according to claim 1, characterized in that the first and the second test alternating voltage as a function of the rotor angle are generated such that an alternating magnetic field generated due to the first and the second test alternating voltage substantially parallel to the winding axis of the rotor winding. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Testwechselspannung eine dritte Amplitude (cosφ) aufweist und zur ersten bzw. zweiten Erregerwechselspannung, insbesondere um 90°, phasenverschoben ist, und – die zweite Testwechselspannung eine vierte Amplitude (–sinφ) aufweist und zur ersten bzw. zweiten Erregerwechselspannung, insbesondere um 90°, phasenverschoben ist, wobei die dritte Amplitude und die vierte Amplitude derart erzeugt werden, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung die Wechselspannung induziert wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that - The first test AC voltage has a third amplitude (cosφ) and to the first and second excitation AC voltage, in particular by 90 °, phase-shifted, and - The second test alternating voltage has a fourth amplitude (-sinφ) and to the first and second exciter AC voltage, in particular by 90 °, phase-shifted, wherein the third amplitude and the fourth amplitude are generated such that in the at least one rotor winding due to the first and the second test AC voltage, the AC voltage is induced. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Erregerwechselspannung darstellbar ist als Ue1 = sin(φ)·sin(wt), wobei φ die Stellgröße des Reglers bezeichnet, w eine Winkelgeschwindigkeit bezeichnet und t die Zeit bezeichnet, – die zweite Erregerwechselspannung darstellbar ist als Ue2 = cos(φ)·sin(wt), – die erste Testwechselspannung darstellbar ist als Ut1 = cos(φ)·cos(wt) und – die zweite Testwechselspannung darstellbar ist als Ut2 = –sin(φ)·cos(wt).Method according to one of the preceding claims, characterized in that The first exciting AC voltage can be represented as Ue1 = sin (φ) * sin (wt), where φ denotes the manipulated variable of the regulator, w denotes an angular velocity and t denotes the time, The second exciter voltage can be represented as Ue2 = cos (φ) * sin (wt), - The first test AC voltage can be represented as Ut1 = cos (φ) · cos (wt) and - The second test AC voltage can be represented as Ut2 = -sin (φ) · cos (wt). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Rotorwinkels nur solche in der Rotorwicklung induzierte Signalanteile verwendet werden, die von der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung bewirkt sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that are used for determining the rotor angle only those induced in the rotor winding signal components, which are caused by the first and the second exciter AC voltage. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – Signalanteile, die aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung in der Rotorwicklung induziert sind, zum Ermitteln eines Leitungsbruchs, eines Kurzschlusses und/oder eines mechanischen Defekts des Resolvers ausgewertet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - Signal components, which are induced due to the first and the second test AC voltage in the rotor winding, are evaluated for determining a line break, a short circuit and / or a mechanical failure of the resolver. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung und der ersten und der zweiten Testwechselspannung induzierte Spannung mittels IQ-Demodulation in Signalanteile, die aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung in der Rotorwicklung induziert werden, und in Signalanteile, die aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung in der Rotorwicklung induziert werden, separiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the at least one rotor winding due to the first and the second excitation AC voltage and the first and the second test AC voltage induced voltage by means of IQ demodulation into signal components, which due to the first and the second test AC voltage in the Rotor coil are induced, and in signal components, which are induced due to the first and the second excitation AC voltage in the rotor winding, is separated. Vorrichtung zum Überwachen des Bestimmens eines Rotorwinkels (α) einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers, – wobei der Resolver umfasst: – eine erste Statorwicklung (1), – mindestens eine zweite Statorwicklung (2), deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der ersten Statorwicklung um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere 90°, gedreht ist, und – mindestens eine Rotorwicklung (3), die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist, – wobei die Vorrichtung umfasst: – Mittel (6) zum Beaufschlagen der ersten Statorwicklung mit einer ersten, insbesondere sinusförmigen, Erregerwechselspannung (Ue1) mit einer Erregerfrequenz (fe) und einer ersten Amplitude (sinφ), – Mittel (10) zum Beaufschlagen der mindestens einen zweiten Statorwicklung mit einer zweiten, insbesondere sinusförmigen, Erregerwechselspannung (Ue2) mit der Erregerfrequenz und einer zweiten Amplitude (cosφ), und – einen Regler (12) zum Erzeugen der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude derart, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Erregerwechselspannung in einem eingeregeltem Zustand keine Spannung induziert wird, wobei eine Stellgröße (φ) des Reglers den Rotorwinkel abbildet, gekennzeichnet durch – Mittel (7) zum Beaufschlagen der ersten Statorwicklung mit einer ersten, insbesondere sinusförmigen, Testwechselspannung (Ut1) mit der Erregerfrequenz, – Mittel (11) zum Beaufschlagen der mindestens einen zweiten Statorwicklung mit einer zweiten, insbesondere sinusförmigen, Testwechselspannung (Ut2) mit der Erregerfrequenz, wobei die erste und die zweite Testwechselspannung derart erzeugt werden, dass in der mindestens einen Rotorwicklung aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung eine Wechselspannung induziert wird, und – Mittel (15) zum Auswerten der aufgrund der ersten und der zweiten Testwechselspannung in der mindestens einen Rotorwicklung induzierten Wechselspannung zum Überwachen des ordnungsgemäßen Bestimmens des Rotorwinkels.Device for monitoring the determination of a rotor angle (α) of a rotating shaft by means of a resolver, - wherein the resolver comprises: - a first stator winding ( 1 ), - at least one second stator winding ( 2 ) whose winding axis to the winding axis of the first Stator winding is rotated by a predetermined angle, in particular 90 °, and - at least one rotor winding ( 3 ) rotatably connected to the rotating shaft, the device comprising: - means ( 6 ) for acting on the first stator winding with a first, in particular sinusoidal, exciter alternating voltage (Ue1) having an excitation frequency (f e ) and a first amplitude (sinφ), - means ( 10 ) for acting on the at least one second stator winding with a second, in particular sinusoidal, excitation alternating voltage (Ue2) with the excitation frequency and a second amplitude (cosφ), and - a regulator ( 12 ) for generating the first amplitude and the second amplitude such that no voltage is induced in the at least one rotor winding due to the first and the second excitation AC voltage in a regulated state, wherein a manipulated variable (φ) of the regulator maps the rotor angle, characterized by - means ( 7 ) for applying the first stator winding with a first, in particular sinusoidal, test alternating voltage (Ut1) with the excitation frequency, - means ( 11 ) for applying the at least one second stator winding with a second, in particular sinusoidal, test alternating voltage (Ut2) with the exciter frequency, the first and the second test alternating voltage being generated in such a way that an alternating voltage is induced in the at least one rotor winding on the basis of the first and the second test alternating voltage will, and - means ( 15 ) for evaluating the AC voltage induced in the at least one rotor winding due to the first and second test AC voltages to monitor the proper determination of the rotor angle. System, umfassend: – einen Resolver, umfassend: – mindestens eine erste Statorwicklung (1), – mindestens eine zweite Statorwicklung (2), deren Wicklungsachse zur Wicklungsachse der mindestens einen ersten Statorwicklung in einem vorbestimmten Winkel steht, und – mindestens eine Rotorwicklung (3), die mit der rotierenden Welle drehfest verbunden ist, und – eine Vorrichtung nach Anspruch 8.A system comprising: - a resolver, comprising: - at least one first stator winding ( 1 ), - at least one second stator winding ( 2 ), whose winding axis is at a predetermined angle to the winding axis of the at least one first stator winding, and - at least one rotor winding ( 3 ), which is rotatably connected to the rotating shaft, and - a device according to claim 8.
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