DE102011089518A1

DE102011089518A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Elements

Info

Publication number: DE102011089518A1
Application number: DE201110089518
Authority: DE
Inventors: Thomas Baumann
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-04-04
Also published as: WO2013092369A1

Abstract

Offenbart wurde eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Elements mit einem Sensor und einer Signalspur, wobei sich entweder der Sensor oder die Signalspur auf dem Element befindet, und der Sensor und die Signalspur derart eingerichtet sind, dass sich bei einem Abtasten der Signalspur mittels des Sensors ein linearer Signalstärkeverlauf des Messsignals des Sensors ergibt. Ferner wurde ein Verfahren zum Bestimmen der Position des Elements offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Elements.
Bei vielen Maschinen, insbesondere elektrischen Maschinen wie zum Beispiel einer Synchronmaschine, kann eine genaue Kenntnis der Position eines Teils bzw. einer Komponente der Maschine für eine Regelung bzw. Steuerung notwendig sein. Beispielsweise wird für eine Regelung einer Synchronmaschine eine Kenntnis einer exakten Position eines Rotors der Synchronmaschine benötigt. Um die Position des Rotors der Synchronmaschine zu ermitteln bzw. zu bestimmen, kann ein Positionssensor verwendet werden. Aus einem ermittelten Positionssignal können andere Größen, wie zum Beispiel eine Drehzahl und eine Drehrichtung, der Maschine abgeleitet werden. Insbesondere bei Maschinen, die einem Antrieb, beispielsweise einem Fahrzeugantrieb dienen, kann eine solche Information sicherheitsrelevant sein. Zum Beispiel kann es bei einem Elektro- bzw. Hybridfahrzeug wichtig sein, eine Drehrichtung eines Elektromotors des Fahrzeugs zu kennen. Ein Positionssensor, welcher für eine Positionsbestimmung eines Rotors einer Synchronmaschine verwendet werden kann, weist üblicherweise einen feststehenden Teil mit mehreren Sensorelementen, beispielsweise zwei Sensorelementen, und einen beweglichen Teil mit einer sinusförmigen Signalspur auf, die somit positionsabhängige Eigenschaften hat, wobei die sinusförmig Signalspur und zwei Sensoren sich in einem Abstand zueinander befinden. Je nach dem gewählten Abstand der beiden Sensoren zueinander kann mittels eines Abtastens der sinusförmigen Signalspur mit den beiden Sensoren ein Sinussignal sowie ein Cosinussignal erhalten werden. Aus den erhaltenen Messsignalen der Sensoren kann über einen bekannten Zusammenhang zwischen der Position eines Elements, z.B. der Rotor, und dem erhalten Messsignal auf die Position des Elements geschlossen werden. Ist der Zusammenhang zwischen der Position des Elements und dem Messsignal mittels einer Sinusfunktion beschreibbar, so kann aus einem Messsignal eines Sensors wegen der Periodizität der Sinusfunktion nicht eindeutig auf die Position des Elements geschlossen werden. Betrachtet man aber die Messsignale der beiden Sensoren, so kann trotz der Periodizität des Zusammenhangs zwischen dem jeweiligen Messsignal eines Sensors und der Position des Elements eindeutig auf die Position des Elementes geschlossen werden.
Es ist möglich, Vorrichtungen zur Positionsbestimmung für Synchronmaschinen so auszugestalten, dass diese eine sinusförmige Signalspur und zwei, in einem Abstand von 90° im Bezug auf eine elektrische Umdrehung eines Rotors der Synchronmaschine angeordnete, Sensoren aufweisen. Die Sensoren tasten die sinusförmige Signalspur ab und liefern zwei periodische Sinussignale, welche zueinander Phasen verschoben sind. Aus den erhaltenen Signalen können eine Drehzahl und eine Drehrichtung der Synchronmaschine bestimmt werden. Eine Position bzw. ein Ist-Drehwinkel des Rotors der Synchronmaschine kann aus den beiden Messsignalen mittels Berechnung des Arcustangens bestimmt werden. Derartige Vorrichtungen sind jedoch fehleranfällig. Wenn einer der beiden Sensoren ausfällt, dann ist eine fehlerfreie Positionsbestimmung nicht mehr möglich.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche es ermöglichen, eine Positionsbestimmung weniger fehleranfällig zu machen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten beispielhaften Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Elements bereitgestellt, welche einen Sensor und eine Signalspur aufweist, wobei sich entweder der Sensor oder die Signalspur auf dem Element befindet. Ferner sind der Sensor und die Signalspur derart eingerichtet, dass sich bei einem Abtasten der Signalspur mittels des Sensors ein linearer Signalstärkeverlauf des Messsignals des Sensors ergibt. Der Sensor und die Signalspur können als zwei Teile oder zwei Teileinheiten eines Sensorsystems aufgefasst werden, wobei eines der Teile sich auf oder an dem Element befindet oder befestigt ist oder ein Teil desselben sein kann.
Insbesondere kann ein Element, dessen Position zu bestimmen ist, ein Teil einer Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Elektromotors sein. Beispielsweise kann das Element ein Rotor einer Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine sein.
Ferner kann die Vorrichtung zur Positionsbestimmung ein bewegliches Teil und ein unbewegliches bzw. feststehendes Teil aufweisen. Beispielsweise kann ein Sensor der Vorrichtung zu einem unbeweglichen Teil der Vorrichtung gehören. Insbesondere kann eine Signalspur der Vorrichtung eine positionsabhängige Eigenschaft haben. Beispielsweise kann die positionsabhängige Eigenschaft mittels einer äußeren Form und/oder einer Materialeigenschaft der Signalspur gegeben sein. Ferner kann die Signalspur auf dem Element, insbesondere auf einer Oberfläche des Elements, befestigt sein. Beispielsweise kann die Signalspur auf dem Element mittels Klebens und/oder Schraubens und/oder Schweißens und/oder Lötens und/oder einer weiteren Befestigungsmethode befestigt sein. Beispielsweise kann die Signalspur durch eine äußere Form des Elements gegeben sein. Insbesondere kann die Signalspur durch eine Reliefstruktur auf der Oberfläche des Elements geformt bzw. gebildet werden.
Insbesondere können aus einer bestimmten Position des Elements andere Größen abgeleitet werden. Beispielsweise kann aus einer Position eines Rotors einer elektrischen Maschine eine Drehzahl des Rotors und/oder eine Drehrichtung des Rotors bestimmt werden, indem beispielsweise ein zeitlicher Verlauf der Position bestimmt wird.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt wird ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Elements bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Abtasten einer Signalspur mittels eines Sensors, wobei der Sensor und die Signalspur derart eingerichtet sind, dass sich bei dem Abtasten der Signalspur mittels des Sensors ein linearer Signalstärkeverlauf des Messsignals des Sensors ergibt, und ein Bestimmen der Position des Elements basierend auf dem Messsignal des Sensors aufweist.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt wird eine Motorsteuerung bereitgestellt, welche eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung gemäß einem exemplarischen Aspekt aufweist, wobei die Motorsteuerung derart eingerichtet ist, dass sie einen Motor basierend auf der Positionsbestimmung des Elements steuert.
Insbesondere kann das Element ein Teil des zu steuernden Motors sein. Beispielsweise kann das Element ein Rotor eines Elektromotors eines Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs sein.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt wird ein Motorensystem für ein Fahrzeug bereitgestellt, welches einen Motor und eine Motorsteuerung gemäß einem exemplarischen Aspekt aufweist, welche den Motor steuert.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt wird ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, in dem ein Programm gespeichert ist, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem exemplarischen Aspekt eingerichtet ist.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt wird ein Programm-Element bereitgestellt, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem exemplarischen Aspekt eingerichtet ist.
Der Begriff „linearer Signalstärkeverlauf“ kann hierbei insbesondere bedeuten, dass ein Signalstärkeverlauf eines Messsignals zumindest abschnittsweise mittels einer umkehrbaren Funktion, insbesondere einer bijektiven Funktion, d.h. invertierbaren Funktion beschreibbar ist. Beispielsweise kann ein linearer Signalstärkeverlauf zumindest abschnittsweise, z.B. während eines Umlaufs eines Rotors, mittels einer linearen Funktion, d.h. einem Polynom 1. Grades, beschreibbar sein. Insbesondere kann ein linearer Signalstärkeverlauf eines Messsignals bei einer Vorrichtung möglicherweise erlauben, aus einem gemessen Wert des Messsignals eindeutig auf eine Position eines Elementes zu schließen. Insbesondere kann der lineare Signalstärkeverlauf lediglich in einem Abschnitt umkehrbar sein. Beispielsweise kann ein linearer Signalstärkeverlauf ein sägezahnförmiger Signalstärkeverlauf sein. Ein sägezahnförmiger Signalstärkeverlauf kann linear von einem Minimumwert auf einen Maximumwert ansteigen und dann steil von dem Maximumwert auf den Minimumwert abfallen. Ein solcher sägezahnförmiger Signalstärkeverlauf kann insbesondere in einem Abschnitt, in dem die Signalstärke kontinuierlich von einem Minimumwert auf einen Maximumwert ansteigt, umkehrbar sein. Selbstverständlich kann der Signalstärkeverlauf auch kontinuierlich von einem Maximumwert auf einen Minimumwert abfallen und dann steil bzw. schlagartig auf den Maximumwert ansteigen. Bei einem solchen sägezahnförmigen Signalstärkeverlauf kann die dem Signalstärkeverlauf zugeordnete Funktion im Wesentlichen über eine gesamte Umdrehung, d.h. fast 360° einer Rotation, umkehrbar sein.
Insbesondere bei Fahrzeugen, welche mittels eines Elektromotors angetrieben werden, ist eine Erfassung einer Drehzahl des Elektromotors und insbesondere eine Erfassung der Drehrichtung des Elektromotors sicherheitsrelevant. Kann eine Drehrichtung des Elektromotors bei einem Fahrzeug mit Elektroantrieb nicht mehr eindeutig bestimmt werden, müsste der Antrieb des Fahrzeugs deaktiviert werden und das Fahrzeug würde liegenbleiben.
Ein Vorteil der Vorrichtung gemäß einem Aspekt kann möglicherweise sein, dass bei einem linearen Signalstärkeverlauf des Messsignals des Sensors nur ein Sensor benötigt wird, um eine Position eines Elements zu bestimmen. Ferner kann ein Vorteil sein, dass ein linearer Signalstärkeverlauf des Messsignals des Sensors der Vorrichtung eine einfachere Berechnung einer Position eines Elements ermöglicht. Insbesondere kann sich als Vorteil ergeben, dass eine Vorrichtung eine kleinere Bauform haben kann, weil ein zweiter Sensor entfallen kann.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen mit Bezug auf unterschiedliche Gegenstände beschrieben werden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Typ von Gegenstand beschrieben werden, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Typen von Gegenständen beschrieben werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Sensor aus der Gruppe ausgewählt, die aus einem optischen Sensor, einem elektrischen Sensor, einem kapazitiven Sensor, einem magnetischen Sensor, einem Hallsensor und einem Abstandssensor besteht.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Position des Elements basierend auf dem Messsignal des Sensors eindeutig bestimmbar.
Insbesondere kann ein Signalstärkeverlauf des Messsignals des Sensors zumindest Abschnittsweise mittels einer bijektiven Funktion beschreibbar sein, bzw. kann der Signalstärkeverlauf zumindest abschnittsweise mittels einer umkehrbaren Funktion beschreibbar sein. Insbesondere kann ein Signalstärkeverlauf des Messsignals, welches mittels einer umkehrbaren Funktion beschreibbar ist, erlauben, mittels einer Umkehrfunktion der Funktion, welche den Signalsstärkeverlauf beschreibt, eindeutig aus einem Wert des Messsignals eine Position eines Elements zu bestimmen. Beispielsweise kann der lineare Signalstärkeverlauf ein sägezahnförmigen Verlauf mit einem ausreichend steilen Abfall sein.
Insbesondere kann bei einem sägezahnförmigen Verlauf mit einem steilen Abfall ein Abschnitt oder im Wesentlichen der gesamte Verlauf bis auf den kurzen Bereich des steilen Abfalls umkehrbar sein.
Ferner kann ein Vorteil sein, dass ein Erzeugen einer Indexposition, die nicht driftet, mittels eines linearen Signalstärkeverlaufs, insbesondere mittels eines sägezahnförmigen Signalstärkeverlaufs möglich sein kann. Eine Indexposition kann beispielsweise eine bestimmte Position wie eine Nullpunktsposition, zum Beispiel eines Elements anzeigen. Beispielsweise kann sich ein Maximum-Minimumssprung bzw. Minimum-Maximumsprung eines sägenzahnförmigen Signalstärkeverlaufs eines Messsignals eines Sensors an einer Nullpunktsposition des zu bestimmenden Elements befinden. Das kann den Vorteil haben, dass die Nullpunktsposition des Elements auch dann identifiziert werden kann, wenn beispielsweise ein Messwert eines Sensorsignals driftet. Eine Ursache für ein Driften des Messwerts des Sensorsignals kann zum Beispiel eine Änderung einer Umgebungstemperatur und/oder eine Änderung einer Temperatur des Elements und/oder eine Änderung einer Temperatur des Sensors sein.
Insbesondere kann die Signalspur so eingerichtet sein, dass sie einen kompletten Bewegungsbereich des Elements abdeckt. Ferner kann der Signalstärkeverlauf insbesondere in dem Bewegungsbereich des Elements mittels einer linearen Funktion beschreibbar sein. Das kann den Vorteil haben, dass insbesondere in einem Bewegungsbereich des Elements der Signalstärkeverlauf mit einer umkehrbaren Funktion beschreibbar ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform bestimmt die Vorrichtung eine Position eines Elements, welches linear bewegbar ist.
Insbesondere kann das Element in einem kartesischen Koordinatensystem linear bewegbar sein. Beispielsweise kann das Element entlang einer Geraden oder eines Pfades bewegbar sein, der im Wesentlichen gerade, linear oder ungekrümmt ist. Insbesondere kann das Element ein Element sein, welches eine translatorische Bewegung ausführt. Insbesondere kann beispielsweise die Vorrichtung eine Position eines linear bewegbaren Kolbens bestimmen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform bestimmt die Vorrichtung eine Position eines Elements, welches rotierbar ist.
Insbesondere kann das Element ein Rotor einer Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine, sein. Beispielsweise kann die elektrische Maschine eine Synchronmaschine sein. Insbesondere kann eine Vorrichtung eine Winkelposition eines rotierbaren Elements bestimmen. Beispielsweise kann die Vorrichtung die Winkelposition eines Rotors einer elektrischen Maschine bestimmen.
Insbesondere kann ein Messsignal ausreichend sein, um auf eine Position eines Elements schließen zu können. Beispielsweise kann ein Elektromotor weiterbetrieben werden, auch wenn einer von zwei Sensoren ausgefallen ist, weil ein Sensor ausreichend sein kann, um eine Position eines Rotors bestimmen zu können. Insbesondere kann ein Sensor ausreichend sein, weil ein linearer Signalstärkeverlauf eines Messsignals des Sensors mittels einer umkehrbaren Funktion beschreibbar sein kann. Ferner kann mittels einer umkehrbaren Funktion eindeutig von einem gemessenen Wert des Messsignals auf eine dazugehörige Position eines Elements geschlossen werden. Ferner kann ein Vorteil sein, dass die beiden Sensoren der Vorrichtung zur Positionsbestimmung nicht 90° Abstand zueinander haben müssen, wie dies bei Vorrichtungen zur Positionsbestimmung gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Dies kann eine kleinere Bauform der Vorrichtung ermöglichen, insbesondere wenn die Sensoren auf einem feststehenden Teil der Vorrichtung angebracht sind. Insbesondere kann ein weiterer Vorteil sein, dass auf einen zusätzlichen Hardwareaufwand verzichtet werden kann, da ein Sensor für eine Positionsbestimmung ausreichend ist. Beispielsweise kann möglicherweise eine einfachere und zusätzliche Plausibilisierungen möglich sein, weil sich ein Signalstärkeverlauf, insbesondere von mehreren Sensoren immer gleichartig und in eine gleiche Richtung ändert. Auch kann ein weiterer Vorteil sein, dass ein Drehwinkel eines Elements mittels einer einfacheren Berechnung aus einem linearen Signalstärkeverlauf bestimmt werden kann, was möglicherweise eine schnellere Bestimmung des Drehwinkels ermöglicht. Insbesondere kann eine Division, eine Berechung eines Arcustangens und/oder eine Quadrantenkorrektur entfallen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung einen weiteren Sensor auf.
Insbesondere kann mittels eines weiteren Sensors eine Erhöhung einer Redundanz bei sicherheitsrelevanten Anwendungen erreicht werden. Beispielsweise kann durch einen weiteren Sensor vermieden werden, dass ein Fahrzeug mit einem Elektromotorantrieb, liegen bleibt, weil ein Sensor, der eine Position eines Rotors des Elektromotors bestimmt, ausgefallen ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind der Sensor der Vorrichtung und der weitere Sensor der Vorrichtung auf einem Kreissegment angeordnet und ein Winkel zwischen dem Sensor und dem weiteren Sensor hat einen vorbestimmten Wert.
Insbesondere können der Sensor und der weitere Sensor so angeordnet sein, dass bei einem sägezahnförmigen Signalstärkeverlauf ein Maximum-Minimumsprung bzw. Minimum-Maximumsprung des Sensors in einem linearen Bereich des Signalstärkeverlaufs des weiteren Sensors stattfindet. Insbesondere kann der Winkel zwischen dem Sensor und dem weiteren Sensor auf eine mechanische Umdrehung bezogen sein, zum Beispiel kann der Winkel zwischen dem Sensor und dem weiteren Sensor einen Wert zwischen 0° und 90° haben. Der Wert des Winkels zwischen dem Sensor und dem weiteren Sensor kann aber auch größer als 90° sein. Ferner kann der Winkel zwischen dem Sensor und dem weiteren Sensor auf eine elektrische Umdrehung eines Elektromotors bezogen sein. Beispielsweise kann eine volle mechanische Umdrehung eines Rotors eines Elektromotors, welcher vier Polpaare aufweist, aus vier elektrischen Umdrehungen bestehen. Insbesondere kann ein Winkel ungleich 2π/n sein, wobei n die Anzahl der Polpaare darstellt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform werden entweder ein Messsignal des Sensors und/oder ein Messsignal des weiteren Sensors für eine Positionsbestimmung des Elements verwendet.
Insbesondere kann ein Messsignal eines Sensors verwendet werden, welcher sich in einem Bereich befindet, in dem ein Signalstärkeverlauf durch eine umkehrbare Funktion beschreibbar ist. Beispielsweise kann bei sägezahnförmigen Signalstärkeverlaufen, der Sensor verwendet werden, welcher nicht in einer Nähe eines Bereiches mit einem Maximums-Minimumsprung ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Verfahren ein Abtasten der Signalspur mittels eines weiteren Sensors und ein Bestimmen der Position des Elements basierend entweder auf dem Messsignal des Sensors und/oder dem Messsignal des weiteren Sensors auf.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Element ein Teil des zu steuernden Motors und die Position des Elements ist ein Ist-Drehwinkel des Elements.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Motor ein Elektromotor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Vorrichtung sind, soweit im Übrigen auf das oben beschriebene Verfahren übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens anzusehen. Dies gilt auch umgekehrt für die Vorrichtung, wobei die vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung anzusehen sind.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch anzusehen.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung.
2 zeigt einen Signalstärkeverlauf einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorposition mit einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung gemäß dem Stand der Technik.
4 zeigt einen Signalstärkeverlauf einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung mit einem linearen Signalstärkeverlauf des Messsignals.
5 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorposition mit einer Vorrichtung mit einem linearen Signalstärkeverlauf des Messsignals.
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
1 zeigt eine Vorrichtung 100 für eine Bestimmung einer Rotorposition einer Synchronmaschine. Die Vorrichtung weist einen feststehenden Sensor 101 und einen feststehenden weiteren Sensor 102 auf. Auf einem Rotor 104 der Synchronmaschine ist eine Signalspur 103 befestigt. Beispielsweise sind aus dem Stand der Technik sinusförmige Signalspuren bekannt. Der Sensor 101 und der weitere Sensor 102 sind in einem feststehenden Bereich der Synchronmaschine angebracht. Der Sensor und der weiteren Sensor sind in einem Winkel von 90° im Bezug auf eine elektrische Umdrehung der Synchronmaschine angebracht. Beispielsweise entspricht ein Winkel von 90° im Bezug auf eine elektrische Umdrehung einer Synchronmaschine mit vier Polpaaren einem mechanischen Winkel von 22,5°.
2 zeigt einen beispielhaften Signalstärkeverlauf 200 einer Vorrichtung mit einer sinusförmigen Signalspur. Auf der y-Achse 201 ist dabei ein Messsignal in Volt aufgetragen, während auf der x-Achse 202 eine Drehwinkelposition des Rotors 104 in Grad aufgetragen ist. Die Linie 203 zeigt einen Verlauf des Messsignals des Sensors und die Linie 204 zeigt einen Verlauf des Messsignals des weiteren Sensors. Bei dem vorliegenden Beispiel weist die Synchronmaschine vier Polpaare auf, dies bedeutet, dass bei einer vollen mechanischen Umdrehung vier elektrische Umdrehungen gemacht werden. Eine Synchronmaschine kann aber auch mehr oder weniger Polpaare aufweisen. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass für die eigentliche Positionserfassung über eine mechanische Umdrehung die Anzahl der Polpaare des Motors keine Rolle spielt.
3 zeigt ein Verfahren 300 zur Bestimmung einer Rotorposition mit einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Die Messsignale 301 beziehungsweise 302 eines Sensors beziehungsweise eines weiteren Sensors können in einer optionalen Signalverarbeitung 303 einer Filterung und/oder einer Offsetkorrektur und/oder einer Amplitudenkorrektur und/oder einer Diagnose unterzogen werden. Nach der optionalen Signalverarbeitung 303 erhält man ein auf dem Signal 301 basierendes Sinussignal 304 und ein auf dem Signal 302 basierendes Cosinussignal 305. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt 306 wird aus den beiden Signalen 304 und 305 ein mechanischer Drehwinkel des Rotors 104 bestimmt. Dazu wird das Sinussignal 304 durch das Cosinussignal 305 geteilt und anschließend der Arcustangens unter Beachtung des jeweiligen Quadranten bestimmt. Das erhaltende Signal 307, d.h. der mechanische Drehwinkel eines Rotors kann einem weiteren optionalen Signalverarbeitungsschritt 308 unterzogen werden. Dabei kann insbesondere eine weitere Filterung und/oder eine Linearitätskorrektur und/oder eine Phasenkorrektur und/oder eine weitere Diagnose durchgeführt werden.
4 zeigt einen Signalstärkeverlauf 400 einer Vorrichtung 100 mit einem linearen Signalstärkeverlauf des Messsignals. Auf der y-Achse 401 ist dabei ein Messsignal in Volt aufgetragen, während die x-Achse 402 eine Drehwinkelposition eines Rotors einer Synchronmaschine darstellt. Die Linie 403 zeigt einen Verlauf des Messsignals des Sensors 101 und die Linie 404 zeigt einen Verlauf des Messsignals des weiteren Sensors 102. Die beiden Messsignalverläufe zeigen einen sägezahnförmigen Signalstärkeverlauf mit einem steilen Abfall, d.h. das Signal steigt kontinuierlich und linear bis auf ein Maximum an und springt schlagartig auf ein Minimum.
5 zeigt ein Verfahren 500 zur Bestimmung einer Rotorposition mit einer Vorrichtung mit einem linearen Signalstärkeverlauf des Messsignals. Die Messsignale 501 beziehungsweise 502 des Sensors 101 beziehungsweise des weiteren Sensors 102 können in einer optionalen Signalverarbeitung 503 einer Filterung und/oder einer Offsetkorrektur und/oder einer Amplitudenkorrektur und/oder einer Diagnose unterzogen werden. Nach der optionalen Signalverarbeitung 503 erhält man einen aus dem Signal 501 bestimmten Winkel 504 und einen aus dem Signal 502 bestimmten weiteren Winkel 505. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt 506 wird von den beiden Winkelsignalen 504 und 505 ein Winkel 507 ausgewählt. Der ausgewählte Winkel 507, d.h. der mechanische Drehwinkel des Rotors der Synchronmaschine, kann einem weiteren optionalen Signalverarbeitungsschritt 508 unterzogen werden. Dabei kann insbesondere eine weitere Filterung und/oder eine Linearitätskorrektur und/oder eine Phasenkorrektur und/oder eine weitere Diagnose durchgeführt werden.
Zusammenfassend bleibt festzustellen:
Eine Vorrichtung, welche anstelle einer sinusförmigen Signalspur eine Signalspur aufweist, die einen linearen Signalstärkeverlauf eines Messsignals ergibt, kann möglicherweise eine direkte Abbildung eines Drehwinkels eines Rotors einer Synchronmaschine ermöglichen. Beispielsweise kann der Signalstärkeverlauf des Messsignals einen dreieckförmigen, insbesondere sägezahnförmigen Verlauf zeigen. Bei einem sägezahnförmigen Verlauf steigt das Messsignal kontinuierlich bis auf ein Maximum an und springt schlagartig auf ein Minimum.
Der lineare Signalstärkeverlauf kann eine direktere Abbildung des Messsignals auf einen Drehwinkel des Rotors der Synchronmaschine ermöglichen, dadurch kann eine Berechnung eines Arcustanges entfallen. Weitere Vorteile können sein, dass eine Positionsbestimmung bereits mit einem Sensor möglich ist, so dass eine Position eines Elements bestimmt werden kann, ohne einen zweiten Sensor sowie ein zweites Messsignal zu benötigen. Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung
101: Sensor
102: weiterer Sensor
103: sinusförmige Signalspur
104: Rotor
200: Signalstärkeverlauf
201: y-Achse
202: x-Achse
203: Messsignal Sensor
204: Messsignal weiterer Sensor
300: Verfahren zur Positionsbestimmung
301: Messsignal Sensor
302: Messsignal weiterer Sensor
303: Signalverarbeitung
304: Sinussignal
305: Cosinussignal
306: Arcustangensbestimmung
307: Winkelsignal
308: weitere Signalverarbeitung
400: Signalstärkeverlauf
401: y-Achse
402: x-Achse
403: Messsignal Sensor
404: Messsignal weiterer Sensor
500: Verfahren zur Positionsbestimmung
501: Messsignal Sensor
502: Messsignal weiterer Sensor
503: Signalverarbeitung
504: Winkel
505: weiterer Winkel
506: Auswahl
507: Winkelsignal
508: weitere Signalverarbeitung

Claims

Vorrichtung (100) zum Bestimmen einer Position eines Elements (104), insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, wobei die Vorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist: – einen Sensor (101), – eine Signalspur (103); – wobei sich entweder der Sensor (101) oder die Signalspur (103) auf dem Element (104) befindet; – wobei der Sensor (101) und die Signalspur (103) derart eingerichtet sind, dass sich bei einem Abtasten der Signalspur (103) mittels des Sensors (101) ein linearer Signalstärkeverlauf des Messsignals (403) des Sensors (101) ergibt.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor (101) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einem optischen Sensor; einen elektrischen Sensor; einen kapazitiven Sensor; einen magnetischen Sensor; einen Hallsensor; und einen Abstandssensor ist.
Vorrichtung (101) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Position des Elements (104) basierend auf dem Messsignal (403) des Sensors (101) eindeutig bestimmbar ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) eine Position eines Elements bestimmt, welches linear bewegbar ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) eine Position eines Elements (104) bestimmt, welches rotierbar ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) einen weiteren Sensor (102) aufweist.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, wobei der Sensor (101) der Vorrichtung (100) und der weitere Sensor (102) der Vorrichtung (100) auf einem Kreissegment angeordnet sind; und wobei ein Winkel zwischen dem Sensor (101) und dem weiteren Sensor (102) einen vorbestimmten Wert hat.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei entweder ein Messsignal (403) des Sensors (101) und/oder ein Messsignal (404) des weiteren Sensors (102) für eine Positionsbestimmung des Elements (104) verwendet werden.
Verfahren zur Bestimmung der Position eines Elements (104), insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: Abtasten einer Signalspur (103) mittels eines ersten Sensors (101), wobei der erste Sensor (101) und die Signalspur (103) derart eingerichtet sind, dass sich bei dem Abtasten der Signalspur (103) mittels des ersten Sensors (101) ein linearer Signalstärkeverlauf des Messsignals (403) des Sensors ergibt; und Bestimmen der Position des Elements (104) basierend auf dem Messsignal (403) des ersten Sensors (101).
Verfahren gemäß Anspruch 9, welches ferner aufweist: Abtasten der Signalspur (103) mittels eines zweiten Sensors (102); Bestimmen der Position des Elements (104) basierend entweder auf dem Messsignal (403) des ersten Sensors (101) und/oder dem Messsignal (404) des zweiten Sensors (102).