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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Störfeldkompensation mittels einer Signalverarbeitungseinheit zur Ermittlung von Drehwinkel und/oder Drehzahl einer Rotorwelle eines Elektromotors in einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs, wobei mindestens ein Sensorelement verwendet wird, welches das Magnetfeld eines mit der Rotorwelle rotierenden Gebermagneten detektiert. Außerdem betrifft die Erfindung eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung sowie eine mit der Vorrichtung ausgestattete Hilfskraftlenkung.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung eines Drehwinkels mit Hilfe von Sensorelementen bekannt, die auch als magnetische Winkelsensoren bezeichnet werden.
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Die
DE 10 2007 011 672 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung in Form einer Sensoreinrichtung, die wenigstens zwei zueinander versetzte Hall-Sensoren aufweist, die ortsfest nahe der Rotorwelle montiert sind, auf welcher ein ringförmiger Gebermagnet angeordnet ist. Die als Hall-Sensoren ausgebildeten Sensorelemente detektieren das Magnetfeld des mit der Rotorwelle rotierenden Gebermagneten, um mindestens ein Sensorrohsignal für eine Signalverarbeitungseinheit bereit zu stellen, die daraus dann den Drehwinkel des Rotors ermittelt. Es ist an sich bekannt, dass die Sensorrohsignale von externen Magnetfeldern, sog. magnetischen Störfeldern, beeinträchtigt werden können, wodurch dann die Sensorrohsignale verfälscht werden, so dass eine genaue Ermittlung des Rotor-Drehwinkels bzw. der -Drehzahl) nicht mehr möglich ist oder zumindest stark verfälscht wird. Allerdings wird dieses Problem in der
DE 10 2007 011 672 A1 nicht näher behandelt.
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Die
DE 102 21 340 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur Detektion des Drehwinkels einer Welle, mit einem ein Magnetfeld erzeugenden Magnetelement (Gebermagnet) und einem ein Magnetfeld erfassenden Messelement (Sensor). Der Drehwinkel der Welle lässt sich durch den jeweiligen Magnetisierungswinkel ermitteln. Allerdings wird dort das Problem von magnetischen Störfeldern nicht näher behandelt.
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Die
EP 1 092 956 A1 beschreibt einen elektromagnetischen Drehwinkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels an einer Achse, mit einem um die Achse drehbaren magnetischen Rotor und einem feststehenden Stator, der Mittel zur Erfassung eines auf den Rotor gerichteten Magnetfeldes, sowie wenigstens vier erste und wenigsten vier zweite Magnetdetektoren zur Detektion des Magnetfeldes aufweist. Der Rotor und der Stator liegen sich so gegenüber, dass sich zwischen ihnen ein vom Magnetfeld durchsetzter Luftspalt ausbildet. Die Empfindlichkeiten der ersten und zweiten Magnetdetektoren weisen entlang eines Kreises Werte auf, die in der Abwicklung des Kreises auf einer Geraden jeweils von einer Sinuskurve einhüllbar sind. Als Mittel zur Erzeugung des periodischen Magnetfeldes kommen insbesondere Permanentmagneten und magnetische Spulen in Betracht. Als Magnetdetektoren werden Hallsensoren oder Induktionsspulen angewandt. Allerdings wird auch dort das Problem von magnetischen Störfeldern nicht näher behandelt.
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Die
DE 102 10 372 A1 beschreibt einen Drehwinkelsensor, mit einem scheibenförmigen Träger einer ersten Spur von magnetischen Nord- und Südpolen und einer zweiten Spur von magnetischen Nord- und Südpolen mit einer von der ersten Spur abweichenden Anzahl von Nord- und Südpolen und mit je einem Sensorelement zur Detektion der ersten und der zweiten Spur. Mit der ersten Spur wird nach Inbetriebnahme des Drehwinkelsensors eine erste grobe Erfassung des Drehwinkels des Spurträgers durchgeführt und mit der zweiten Spur eine hochaufgelöste Erfassung des Drehwinkels bewirkt. Das sinusförmige Signal des Drehwinkelsensors wird mit einer Winkelfunktion linearisiert. Auch dort wird allerdings das Problem von magnetischen Störfeldern nicht näher behandelt.
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In der
DE 198 18 799 C2 wird ein Drehwinkelsensor mit zwei magnetischen Ringen und drei zugeordneten Sensorelementen beschrieben. Zur Bestimmung eines eindeutigen Winkels innerhalb 360 Grad [deg.] wird das bekannte Nonius-Verfahren mit einer Kombination aus Hall- und MR-Sensoren verwendet, wobei die Signale des Hall-Sensors zur Bereichs-Unterscheidung verwendet werden. Jedoch wird auch hier das Problem von magnetischen Störfeldern nicht näher behandelt.
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Des Weiteren ist auch die
KR 2004 005 1811 A zu nennen, die eine Anordnung eines Lagesensors in einem bürstenlosen Gleichstrommotor beschreibt, welcher für eine elektrische Hilfskraftlenkung eingesetzt wird. Das dort angesprochene Problem einer Störung („interference”) zwischen Hall-Sensor und Magnet und der dazu kurz umrissene Lösungsansatz, eine Lücke („gap”) vorzusehen, werden dort nicht näher beschrieben, scheinen aber eine andere Problematik, nämlich die Messempfindlichkeit des Hall-Sensors bezüglich des vom Magneten erzeugten Feldes zu betreffen.
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Schließlich ist die
DE 10 2008 043 265 A1 zu nennen, die sich mit der Kompensation von Winkelfehlern befasst, die durch Störfeldeinflüsse bei elektronischen Winkelmessungen auftreten können. Für eine vektorielle Winkelkorrektur werden Winkelfehler mittels Fourieranalyse in verschiedene Fehlerordnungen zerlegt, um dann speziell ausgeprägte Fehlerordnungen zu kompensieren. Diese Lösung ist für einzelne Winkelsensoren ausgelegt, aber nur bedingt für Sensoranordnungen von mehreren Sensoren einsetzbar. Daher lassen sich effektiv eher nur räumlich enge Ausprägungen von Störfeldern kompensieren.
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Insgesamt finden sich im Stand der Technik zahlreiche Lösungen für die Ermittlung von Drehwinkel und/oder Drehzahl eines Rotors eines Elektromotors, um diesen beispielsweise in eine Hilfskraftlenkung einzubauen und intelligent anzusteuern. Jedoch wird das Problem auftretender magnetischer Störfelder, die verschieden weite Ausprägungen haben und die Sensorik maßgeblich beeinträchtigen können, nicht näher behandelt oder gar gelöst.
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Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine danach arbeitende Vorrichtung zur Störfeldkompensation vorzuschlagen, die flexible für verschieden weite Ausprägungen von Störfeldern ist, und dennoch mit möglichst geringem Aufwand realisiert werden kann, um die Qualität der Sensorik zu verbessern und gegen magnetische Störfelder resistent zu machen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungsanspruchs.
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Demnach wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zunächst die Wirkung eines magnetischen Störfeldes auf das mindestens eine Sensorrohsignal ermittelt, um daraus mindestens ein Kompensationssignal zu erzeugen, und dass die Vorrichtung das Sensorrohsignal mit dem erzeugten Kompensationssignal beaufschlagt. Vorzugsweise wird die Wirkung des magnetischen Störfeldes vor Inbetriebnahme des Elektromotors (Offline) ermittelt, um später nach Inbetriebnahme des Elektromotors das jeweilige Sensorrohsignal mit dem dafür erzeugten Kompensationssignal zu beaufschlagen. Die Sensorsignale wie auch die Kompensationssignale können digitale Signale bzw. diskrete Werte (Zahlenfolgen) sein. Die Kompensation kann mit einer digitalen Rechnerschaltung erzielt und schnell an die jeweilige Situation angepasst werden.
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Somit wird ein zweistufiges Lösungskonzept vorgeschlagen, das direkt auf die Sensorrohsignale bzw. Sensorwerte angewendet wird. Dabei wird zunächst Offline anhand der Wirkung des mindestens einen Störfeldes für das jeweilige Sensorrohsignal ein passendes Kompensationssignal ermittelt. Dieses Kompensationssignal kann durch digitale Werte repräsentiert werden. Dann wird Online das jeweilige Sensorrohsignal mit dem ermittelten Kompensationssignal beaufschlagt. Dies kann z. B. durch eine Subtraktion erfolgen, bei der von den digitalen Sensorrohwerten die Kompensationswerte abgezogen werden. Daraus ergibt sich dann ein bereinigtes digitales Sensorsignal, das in die Signalverarbeitungseinheit eingespeist werden kann. Werden beispielsweise zwei Sensoren verwendet, die um 90 Grad versetzt angeordnet sind, so ergeben sich zwei orthogonale zueinander verlaufende Sensorsignale mit einer Sinus- bzw. Cosinus-Kurve, aus denen die Signalverarbeitungseinheit dann schließlich den gesuchten Drehwinkel berechnen kann. Die Erfindung bewirkt eine sehr frühe Bereinigung der gemessenen Sensorsignale von auftretenden Störungen und kann auf jeder Art von Sensoren, die magnetische Felder messen, oder Kombinationen davon angewendet werden, wie z. B. Hall-Sensoren, die die magnetische Flussdichte messen oder magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren), die den Magnetfeldverlauf bzw. die Lage der magnetischen Feldlinien detektieren.
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Vorgeschlagen wird auch eine Hilfskraftlenkung mit Elektromotor zur Erzeugung einer Hilfskraft, wobei die Hilfskraftlenkung mit der zuvor genannten Vorrichtung zur Störfeldkompensation ausgestattet ist. Denn es hat sich gezeigt, dass in elektrischen Hilfskraftlenkungen starke magnetische Störfelder auftreten können, die beispielsweise von den hohen Motorströmen herrühren. Daher ist die Erfindung besonders gut für den Einsatz in elektrischen Hilfskraftlenkungen geeignet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Demnach ist es von Vorteil, wenn die Wirkung des magnetischen Störfeldes auf das mindestens eine Sensorrohsignal in Abhängigkeit von Motorströmen und/oder von der Temperatur des Elektromotors ermittelt wird. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Wirkung des magnetischen Störfeldes auf das mindestens eine Sensorrohsignal in Abhängigkeit von Versorgungsströmen und/oder von der Temperatur einer Leistungselektronik ermittelt wird, die in einem den Elektromotor steuernden Steuergerät integriert ist.
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Vorzugsweise wird die Wirkung des magnetischen Störfeldes auf das mindestens eine Sensorrohsignal vor der Inbetriebnahme des Elektromotors direkt nach seiner Montage mit dem Steuergerät ermittelt, insbesondere innerhalb eines Einlernvorganges ermittelt. Das mindestens eine Kompensationssignal kann als eine Folge von Kompensationswerten ermittelt werden, die mittels Berechnungsregeln und/oder Kennlinien gebildet werden. Dazu kann die Vorrichtung eine digitale Rechenschaltung aufweisen, die das mindestens eine Kompensationssignal als Folge digitaler Kompensationswerte ermittelt, wobei die digitale Rechenschaltung dazu Berechnungsregeln und/oder Kennlinien anwendet. Auch weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Sensoranordnung mit mindestens einem Hall-Sensor und/oder mit mindestens einem magnetoresistiven Sensor auf.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben, wobei auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen Bezug genommen wird:
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Die 1 zeigt eine Sensoranordnung mit zwei Sensorelementen und einem Gebermagneten, der an der Rotorwelle eines Elektromotors angebracht ist.
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Die 2 zeigt die Struktur einer Signalverarbeitung, die von einer Einheit durchgeführt wird, die Sensorsignale verarbeitet und daraus einen Drehwinkel (Rotorlagewinkel) ermittelt.
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Die 3 zeigt die Struktur einer Störfeldkompensation, die von einer Vorrichtung ausgeführt wird, welche bereinigte Sensorsignale für die Signalverarbeitungseinheit erzeugt.
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Die 4 zeigt als Teil davon die Struktur zur Ermittlung von Kompensationswerten zur Störfeldkompensation.
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Die 5 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Störfeldkompensation an der Signalverarbeitungseinheit.
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Die 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Sensoranordnung, die zwei Sensorelemente SE1 und SE2 sowie einen Gebermagneten GM aufweist, welcher an der Rotorwelle RW eines Elektromotors angebracht ist. Der Gebermagnet weist einen magnetischen Nordpol N und einen magnetischen Südpol S auf, so dass in radialer Richtung magnetische Feldlinien erzeugt werden, welche von den Sensorelementen SE1 und SE2 detektiert werden. Die Sensorelemente sind zueinander um 90 Grad versetzt angeordnet und auf den Gebermagneten GM ausgerichtet. Als Sensorelemente kommen hier Hall-Sensoren zum Einsatz; alternativ oder zusätzlich können z. B. auch magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren) verwendet werden. Die Sensoren SE1 und SE2 liefern Sensorrohsignale U1 bzw. U2, die aufgrund der Sensoranordnung einen Sinus-förmigen bzw. Cosinus-förmigen Verlauf in Abhängigkeit des Rotorlagenwinkels aufweisen. Die in 1 dargestellte Anordnung ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und wird hier zur Realisierung der Erfindung genutzt.
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Mit Hilfe der in 1 gezeigten Sensoranordnung und der nachfolgend anhand der 2 beschriebenen Signalverarbeitung kann der Drehwinkel und/der die Drehzahl der Rotorwelle RW des Elektromotors mittels einer entsprechend in Software und/oder Hardware realisierten Signalverarbeitungseinheit bestimmt werden. Erfindungsgemäß wird eine Störfeldkompensation vorgenommen, die eine noch genauere Berechnung des Drehwinkel bzw. der Drehzahl ermöglicht. Die Störfeldkompensation wird insbesondere anhand der 3 bis 5 noch später im Detail beschrieben.
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Zunächst soll zur 1 noch angemerkt werden, dass in dem vorliegenden Beispiel die Rotorlageposition einer Rotorwelle eines elektrischen Antriebs (Elektromotors) in einer Hilfskraftlenkung bestimmt wird. Wie in der 1 zu sehen ist, werden hier beispielsweise zwei zueinander versetzte Sensoren SE1 und SE2 einem gemeinsamen und bezüglich einer Drehachse radial angeordneten magnetischem Feldgeberring GM zugeordnet. Der Feldgeberring bzw. Gebermagnet GM weist dabei wenigstens ein Polpaar auf, das aus einem magnetischen Nordpol N und einem magnetischen Südpol S besteht. Jedes Polpaar verfügt über eine vollständig sinusförmige Magnetisierung und besteht aus einem magnetisierbaren Material, dessen Magnetisierung künstlich eingebracht ist. Beispielsweise wird dazu ein Verbundwerkstoff verwendet, in den zusätzlich Seltene-Erden-Materialien eingebracht sind. Als Elemente kommen dabei Neodym und Eisen-Bohr in Betracht. Die Zugabe solcher Verbindungen ermöglicht eine erheblich stärkere künstliche Magnetisierbarkeit des Feldgeberrings GM. Die sinusförmige Magnetisierung kann somit stärker in das Material eingeprägt werden, was sich sehr vorteilhaft auf die Genauigkeit und die Detektierbarkeit durch die Sensoren SE1 und SE2 auswirkt. Bevorzugt wird als magnetisierbares Material des Feldgeberrings GM ein kunststoffgebundenes Material oder ein Ferritmaterial verwendet. An die Polzahl des eingesetzten Elektromotors wird auch die Polzahl des Gebermagneten GM angepasst. Vorzugsweise hat der Gebermagneten bzw. Feldgeberring dieselbe Anzahl magnetischer Polpaare wie die Anzahl der Motorpolpaare des elektrischen Antriebs aufweist. Beispielsweise werden bei einer Motorpolpaarzahl von 2 somit zwei Sensoren in einem Winkelversatz von 45 Grad angeordnet.
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Der elektromotorische Antrieb entspricht einem üblichen bürstenlosen Gleichstrommotor und wird hier nicht explizit dargestellt. Der Motor wird in einer elektrischen Hilfskraftlenkung eingesetzt, deren Aufbau an sich ebenfalls einer üblichen Konstruktion entspricht und deshalb hier nicht explizit dargestellt wird. Daher versteht es sich ohne nähere Beschreibung, dass die Drehbewegung der Rotorwelle RW beispielweise mittels eines Kugelmutterumlauftriebes in eine Schubbewegung einer Zahnstange umgesetzt wird. Auf einem Wellenabschnitt zwischen dem Kugelmuttertrieb und der elektromotorischen Antriebsvorrichtung (Elektromotor) ist der Feldgeberring bzw. Gebermagnet GM radial angeordnet und drehfest mit der Rotorwelle RW verbunden. Dem Gebermagneten GM sind die in 1 gezeigten Sensoren SE1 und SE2 zugeordnet, die orthogonal zueinander angeordnet sind. Die feldempfindlichen Flächen der Sensoren SE1 und SE2 können dabei stirnseitig radial oder auch axial bezüglich des Feldgeberrings GM ausgerichtet sein. Der magnetische Nordpol N und der magnetische Südpol S sind dabei durch eine künstliche Magnetisierung in das magnetisierbare Material des Feldgeberrings GM eingebracht. Während des Betriebs der Hilfskraftlenkung liefern die Sensoren die genannten Sensorrohsignale U1 bzw. U2, aus denen der gesuchte Drehwinkel berechnet werden kann.
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Die 2 zeigt nun die Struktur einer Signalverarbeitung. Diese Struktur kann auch als schematische Funktionsblockdarstellung für eine entsprechende Signalverarbeitungseinheit 150 verstanden werden, die aus solchen Sensorsignalen U1' und U2', die den zuvor genannten Sensorrohsignalen U1 bzw. U2 entsprechen können, den Drehwinkel PHI ermitteln kann, welcher die aktuelle Rotorlagewinkel angibt. Dazu weist die Signalverarbeitungseinheit 150, die z. B. auf einem Mikrocontroller realisiert werden kann, im Wesentlichen eine Funktionsstufe 140 für die Drehwinkelermittlung auf. Diese Funktionsstufe 140 führt eine arctan-Funktion auf die ihr zugeführten Signale aus. Diese Berechnung entspricht dem an sich aus dem Stand der Technik bekannten sin/cos-Auswerteverfahren, dem so genannten Quadratur-Verfahren, bei dem aus zwei orthogonalen Sensorsignalen ein entsprechend zugehöriger Winkelwert ermittelt wird. Bei einer Verwendung von zwei Hall-Sensoren, die um 90 Grad versetzt sind (vergl. SE1 und SE2 in 1), und einem Motor mit der Polopaarzahl 1 gibt der Winkelwert bzw. Drehwinkel PHI eindeutig in einem Winkelbereich von 0 bis 360 Grad die aktuelle Rotorlage an.
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Um die Eingangssignale der Funktionsstufe 140 von evtl. Störungen zu befreien, werden erfindungsgemäß mehrere Kompensationen, insbesondere auch eine Störfeldkompensation, vorgenommen, welche hier näher beschrieben werden:
Neben der anhand der 3 bis 5 noch später beschriebenen Störfeldkompensation, für welche erste Verknüpfungselemente (s. 111 und 112 in 3) vorgesehen sind, erfolgt auch eine Offset-Kompensation und eine Amplituden-Kompensation anhand der in 2 dargestellten zweiten Verknüpfungselemente 121 und 122 bzw. dritten Verknüpfungselemente 131 und 132.
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Das Verknüpfungselement 121 bewirkt an dem Sinus-förmigen Eingangssignal U1' eine Offset-Kompensation, indem ein Kompensationswert OKS von dem U1 abgezogen wird. Entsprechend wird für das Cosinus-förmige Eingangssignal U2' ein Kompensationswert OSC in dem Verknüpfungselement 122 abgezogen.
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Die nachgeschalten Verknüpfungselemente 131 und 132 bewirken eine Amplituden-Kompensation, wobei die Amplitude des Offset-korrigierten Sinus-förmigen Eingangssignals mit einem Kompensationswert AKS beaufschlagt wird und die Amplitude des Offset-korrigierten Cosinus-förmigen Eingangssignals mit einem Kompensationswert AKC beaufschlagt wird.
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Die in 2 gezeigten Offset- und Amplituden-Korrekturen dienen zum Abgleich von Montage- und Bauteiltoleranzen des Elektromotors und der Sensoranordnung, sowie zur Kompensation von Einflussgrößen wie Temperatur, Alterung usw.. Die gezeigte Offset-Korrektur OKS kann auch zusammen mit der nachfolgend beschriebenen Störfeldkompensation (s. SKS in 3) in einem Schritt bzw. einer Funktionsstufe durchgeführt werden.
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Die Offset- und Amplituden-korrigierten Signale werden dann der Funktionsstufe 140 zugeführt, um die genannte Drehwinkelermittlung (arctan Funktion) auszuführen.
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Um nun die Sensorsignale von magnetischen Störfeldeinflüssen zu befreien, wird direkt an den Sensorrohsignalen U1 und U2 (s. 2) eine Störfeldkompensation vorgenommen. Diese wird nachfolgend anhand der 3 bis 5 beschrieben:
Die in 3 dargestellte Struktur zur Störfeldkompensation kann auch als schematische Funktionsblockdarstellung für eine entsprechende Vorrichtung 200 verstanden werden. Zur Störfeldkompensation weist diese erste Verknüpfungselemente 111 und 112 auf, die jeweils eines der Sensorrohsignale U1 bzw. U2 mit einem Kompensationswert SKS bzw. SKC beaufschlagen. Beispielsweise wir das von dem Sensorelement SE1 (s. 1) kommende Sinus-förmige Sensorrohsignal U1 als digitales Signal dem ersten Verknüpfungselement 111 zugeführt und dort mit dem Kompensationswert SKS in Form einer Subtraktion beaufschlagt. Das bereinigte Signal U1' wird dann der zuvor beschriebenen Schaltung 150 nach 2 zugeführt. Dasselbe gilt in entsprechender Weise für das Cosinus-förmige Sensorrohsignal U2.
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Zur Ermittlung bzw. Berechnung der Kompensationssignale bzw. -werte SKS und SKC ist die in 4 gezeigte Schaltung 200* vorgesehen, die einen integralen Teil der Vorrichtung 200 bildet.
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Die für die Störfeldkompensation verwendeten Werte SKS und SKC (Störfeldkorrekturwerte) werden vor Inbetriebnahme bzw. Einsatz des Elektromotors (Offline) aus den Motorströmen Iu, Iv und Iw berechnet. In dem vorliegenden Beispiel kommt ein dreiphasiger Elektromotor (Drehstrommotor) zum Einsatz, dessen Motorströme Iu, Iv und Iw (Phasenströme) erfasst werden, um die Wirkung von magnetischen Störfeldern zu ermitteln. Zur Anpassung des zeitlichen Verhaltens zwischen Stromfluss und Magnetfluss werden vorzugsweise Filter 210 eingesetzt, die ein PT1-Verhalten aufweisen, also ein proportionales Übertragungsverhalten mit zeitlicher Verzögerung erster Ordnung aufweisen. Dadurch wird insbesondere die zeitlich verzögerte Wirkung der auftretenden Störfelder auf die Sensorik und den Signalen bzw. Daten (s. Usin bzw. Ucos in 1) kompensiert. Jeder Motorstrom wird entsprechend gefiltert. Danach erfolgt eine Verarbeitung eines jeden gefilterten Motorstroms in Bezug auf die Sinus- und Cosinus-Komponente der zu betrachtenden Sensorsignale. Dabei wird in einer Stufe 220 eine Kennlinien-Korrektur KKS für die jeweilige Komponente (Sinus oder Cosinus) durchgeführt. Die Kennlinien, die z. B. als Daten in Look-Up-Tabellen gespeichert sind, stammen aus Offline-Messungen der Sensorsignale (Usin und Ucos), wobei der Motor bestromt wurde z. B. ansteigend von 0 Ampere bis zu einer max. Bestromung und der Rotor fixiert wurde, um somit den Einfluss der von den Motorströmen erzeugten magnetischen Störfelder auf die Sensorik bzw. deren Signale zu messen. Somit können Störfeldgrößen in Abhängigkeit von der jeweiligen Motorstromstärke gemessen werden. Diese für alle Motorströme gemessenen Störfeldgrößen geben dann für die Online-Kompensation die Korrekturwerte bzw. Kennlinien an. Die Offline-Gewinnung von Korrekturwerten bzw. Kennlinien kann auch dadurch erfolgen, dass vergleichende Messungen mit einem Referenz-Sensor durchgeführt werden. Auch in diesem Fall handelt es sich um einen Einlernvorgang. Außerdem kann die Wirkung des jeweiligen magnetischen Störfeldes auf das mindestens eine Sensorrohsignal mittels Berechnen und/oder Simulation durchgeführt wird, wobei insbesondere eine Finite-Elemente-Methode verwendet wird. Die Online-Kompensation durch die gewonnene Korrekturwerte bzw. Kennlinien kann auch vor den PT1-Filterungen erfolgen. Außerdem kann eine Kompensation auch mit Hilfe von analytischen und/oder empirischen Berechnungsvorschriften realisiert werden.
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In einer nachgeschalten Stufe bzw. einem Verknüpfungselement 230s werden alle Kennlinien-korrigierten Sinus-Komponenten der drei Motorströme zusammengefasst bzw. addiert. Dasselbe gilt entsprechend für die Cosinus-Komponenten, die in einem Verknüpfungselement 230c zusammen gefasst werden. Die zusammengefassten Komponenten entsprechen bereits den gewünschten Kompensationswerten SKS (für den Sinus-Zweig) und SKC (für den Cosinus-Zweig).
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Zusätzlich wird hier noch eine Normierung in einer nachgeschalteten Stufe 240s bzw. 240c vorgenommen, wobei für jeden Zweig ein Normierungsfaktor NFS bzw. NFC zur Anpassung der ermittelten Korrekturwerte vorgesehen ist, um z. B. an verschiedene Wicklungsvariationen der Motorwicklung oder an verschiedene Bauvarianten angepasst werden zu können. Denn für die Online-Kompensation verschiedene Elektromotorvarianten werden die Kompensationswerte (Kennlinien) herangezogen, die durch Offline-Messung exemplarisch an einem bestimmten Motor (Musterexemplar) ermittelt wurden.
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Zusätzlich zu der eigentlichen magnetischen Störfeldkompensation können bei Bedarf auch weitere Störfeldwirkungen, z. B. auf den Eingangsstrom einer Leistungselektronik, berücksichtigt werden. Die Ermittlung der Korrekturwerte SKS und SKC erfolgt dann entsprechend dem in 4 gezeigten Prinzip. Ebenfalls ist es möglich, die Filter 210 nicht vor der Kennlinien-Korrektur 220 einzubauen, sondern danach. Anstelle von Korrektur-Kennlinien können auch andere Implementierungen, wie z. B. analytische oder empirische Berechnungsvorschriften (Algorithmen), Wertetabellen oder dergleichen, verwendet werden.
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Außerdem kann es zweckmäßig sein, zusätzlich zu einer stromabhängigen Störfeldkompensation (anhand Motorströme und/oder Eingangsstrom für Leistungselektronik) eine Temperatur-abhängige Störfeldkompensation vorzunehmen. Hierzu kann beispielsweise eine im Steuergerät oder im Elektromotor selbst integrierte Temperaturmessung durchgeführt werden oder kann ein Temperatursignal mittels Berechnungsvorschrift erzeugt werden, um auch den Temperatureinfluss auf das Störfeld zu kompensieren.
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Die Ermittlung der beschriebenen Korrekturwerte (s. SKS und SKC in 4) sowie der genannten Temperatur-bezogenen Korrekturwerte kann mittels der Finite-Elemente-Methode durchgeführt werden.
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Wie die 5 veranschaulicht, erfolgt die Störfeldkompensation im Wesentlichen in einem zweistufigen Verfahren 400. Dabei wird in einem ersten Schritt 410 vor Inbetriebnahme (Offline) die Wirkung von magnetischen Störfeldern ermittelt, um die Korrekturwerte zu berechnen. Später werden in einem nachfolgenden Schritt 420 (Online) die Sensorrohsignale mit den erzeugten Kompensationssignalen bzw. Korrekturwerten beaufschlagt.
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Insgesamt ergibt sich eine sehr flexible Lösung, die zumindest in einfacher Ausführung, kostengünstig realisiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- RW
- Rotorwelle des Elektromotors
- GM
- Gebermagnet (an Rotorwelle befestigt)
- SE1, SE2
- ortsfeste Sensorelemente (z. B. Hall-Sensoren)
- U1, U2
- Sensorrohsignale (Sinus, Cosinus)
- U1', U2'
- Sensorsignale (Sinus, Cosinus), vom Störfeldeinfluss bereinigt
- PHI
- Drehwinkel der Rotorwelle (Rotorlagewinkel)
- SKS, SKC
- Kompensationswerte für Störfeldkompensation
- OKS, OKC
- Kompensationswerte für Offset-Kompensation
- AKS, AKC
- Kompensationswerte für Störfeldkompensation
- 150
- Signalverarbeitungseinheit zur Ermittlung des Rotor-Drehwinkels
- 111, 112
- erste Verknüpfungselemente für Störfeldkompensation
- 121, 122
- zweite Verknüpfungselemente für Offset-Kompensation
- 131, 132
- dritten Verknüpfungselemente für Amplituden-Kompensation
- 140
- Funktionsstufe für Drehwinkelermittlung (arctan Funktion)
- 200
- Vorrichtung zur Störfeldkompensation
- 200*
- Rechenschaltung zur Ermittlung von Kompensationswerten
- 210u, v, w
- erste Filter für Motorstrom Iu, Iv bzw. Iw
- 220us, uc ...
- zweite Filter für Kennlinien-Korrektur
- 230s, 230c
- Verknüpfungselemente für Sinus- bzw. Cosinus-Anteile
- NFS, NFC
- Normfaktoren für Sinus- bzw. Cosinus-Anteile
- 240s, 240c
- Verknüpfungselemente für normierte Sinus- bzw. Cosinus-Anteile
- 400
- Verfahren zur Störfeldkompensation
- 410
- Schritt zur Ermittlung der Wirkung von magnetischen Störfeldern
- 420
- Schritt zum Beaufschlagen der Sensorrohsignale mit den erzeugten Kompensationssignalen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007011672 A1 [0003, 0003]
- DE 10221340 A1 [0004]
- EP 1092956 A1 [0005]
- DE 10210372 A1 [0006]
- DE 19818799 C2 [0007]
- KR 20040051811 A [0008]
- DE 102008043265 A1 [0009]
