DE102011107568B4 - Ermittlung der Drehbewegung eines Elektromotors - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (5) zur Ermittlung und/oder Überwachung der Umdrehungsbewegung eines Elektromotors (6), wobei die Vorrichtung mindestens einen Signalgenerator (7) aufweist, der ein periodisches Sinussignal (1) zur Ermittlung eines Drehwinkels des Elektromotors (6) erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehrichtung des Elektromotors (6) durch das Sinussignal (1) derart festgelegt werden kann, dass die rechtsdrehende und die linksdrehende Drehrichtung durch eine Amplitudenänderung des Sinussignals (1) darstellbar ist, wobei die Drehrichtung ab einem Zeitpunkt (3), an dem eine Amplitude des Sinussignals (1) ihren maximalen Betrag erreicht, mit Hilfe eines positiven oder negativen Amplitudenwerts eines periodischen Kosinussignals (2) festlegbar ist, und wobei das Kosinussignal (2) als ein Referenzsignal durch das Sinussignal (1) simuliert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung und/oder Überwachung der Umdrehungsbewegung eines Elektromotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Steuergerät gemäß dem Anspruch 4 sowie ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Drehwinkels und der Drehrichtung eines derartigen Elektromotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
  • Elektromotoren finden heutzutage Anwendungen in vielfältigen technischen Bereichen, wie z.B. häufig in Automobilindustrie. Ein Fahrzeuglenksystem setzt eine Drehbewegung um, welche vom Fahrer eines Kraftfahrzeugs mittels eines Lenkrades in eine Eingangswelle des Lenksystems eingeleitet wird. Eine elektromechanische Fahrzeuglenkung ist ein System, das eine elektrische Servolenkung, die eine Hilfskraft unterstützt, für einen komfortablen Lenkbetrieb zur Verfügung stellt. Dabei wird eine Hilfskraft meist durch einen Elektromotor direkt auf das Ausgangsglied des Lenksystems ausgeübt, um die erforderlichen Lenkkräfte für den Fahrer zu reduzieren. Der Drehwinkel des Elektromotors stellt dabei ein direktes Maß für das Hilfslenkmoment dar. Zur Steuerung des Elektromotors sind dessen Drehwinkel und Drehrichtung zu ermitteln. Dafür werden stets jeweils eine Sinus- und eine Kosinusfunktion verwendet.
  • Die gattungsbildende DE 10 2006 046 834 A1 offenbart ein Steuergerät zur Regelung oder Steuerung einer Servoantriebseinheit in einem Lenksystem eines Fahrzeugs. In einem ersten Sensor des Steuergeräts werden Sinus- und Kosinussignale generiert, die jeweils ersten Berechnungseinheiten im Steuergerät zugeführt werden. Die Verarbeitung der Sensorsignale im Sinus- und Kosinusverlauf erfolgt parallel.
  • WO 2006 035016 A1 stellt ein Verfahren zur Bestimmung eines Lenkwinkels in einem Lenksystem vor. Das Lenksystem ist mit einem durch einen Stellmotor gesteuerten Überlagerungsgetriebe ausgestattet, mit dem ein sich aus einem Lenkradwinkel und aus einem mittels des Stellmotors eingesteuerten Zusatzlenkwinkel zusammensetzender Summenlenkwinkel an einer Lenkwelle einstellbar ist, wobei der Lenkradwinkel mit einem Lenkradwinkelgeber erfasst wird. Dabei werden magnetoresistive Inkrementalsensoren verwendet, die beim Passieren eines Polpaares des Lenkradwinkelgebers jeweils ein Sinus bzw. Kosinusausgangssignal liefern.
  • Der Erfindung liegt dann die Aufgabe zu Grunde, die Umdrehungsbewegung eines Elektromotors in einem elektromechanischen Fahrzeugslenksystem auf einer einfachen Weise, insbesondere nur durch ein Messsignal, zu ermitteln und/oder zu überwachen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Steuergerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
  • Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass eine Kosinusfunktion als ein Referenzsignal mittels einer Sinusfunktion durch eine Phasenverschiebung dargestellt werden kann. Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Ermittlung und/oder Überwachung der Umdrehungsbewegung eines Elektromotors, das insbesondere in einem elektromechanischen Fahrzeugslenksystem ist, bereitgestellt. Die Vorrichtung weist mindestens einen Signalgenerator auf, der ein periodisches Sinussignal zur Ermittlung eines Drehwinkels des Elektromotors erzeugen kann. Die Drehrichtung des Elektromotors wird durch das Sinussignal so festgelegt, dass die rechtsdrehende und die linksdrehende Drehrichtung durch eine Amplitudenänderung des Sinussignals darstellbar ist, wobei die Drehrichtung ab einem Zeitpunkt, an dem die Amplitude des Sinussignals ihren maximalen Betrag erreicht, mit Hilfe eines positiven oder negativen Amplitudenwerts eines periodischen Kosinussignals festgelegt werden kann. Das Kosinussignal wird als Referenzsignal durch das Sinussignal simuliert, d.h. das Kosinussignals wird auf Basis des generierten Sinussignals bzw. mathematisch nachgebildet, der entsprechende Algorithmus wird durch eine Software durchgeführt. Dadurch können sowohl die Drehrichtung als auch der Drehwinkel des Elektromotors alleine durch ein periodisches Sinussignal ermittelt werden. Für die Ermittlung sind nur noch die Hardware (z.B. der Signalgenerator) und die Software zur Erzeugung bzw. Auswertung einer Sinusfunktion erforderlich. Somit ist es möglich, die Umdrehungsbewegung des Elektromotors durch eine vereinfachte Vorrichtung zu ermitteln und zu überwachen. Dies kann die Verfügbarkeit des Lenksystems erhöhen, denn die Hardware (z.B. elektrische Schaltung, Signalgenerator) oder Software für Erzeugung bzw. Übertragung einer Kosinusfunktion, worin Fehler möglich auftreten könnten, sind nun entfallen. In dieser Patentanmeldung wird die Amplitude als eine charakterisierende Größe einer Schwingungsfunktion, insbesondere eines periodischen Signalsverlaufs, definiert. Sie gibt die Auslenkung einer physikalischen Größe (z.B. Sinus- oder Kosinusfunktionswert) aus ihrer Ruhelage, also dem Nullwert, bis zu einem positiven oder negativen Wert an. Die Amplitude einer normalen Sinus- und der Kosinusfunktion variiert sich von -1 bis +1.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kosinussignal ein Standardkosinussignal, und hat das Kosinussignal eine Viertelperiode Phasenverschiebung zum Sinussignal, d.h., das Kosinussignal weist eine Nullamplitude auf, wenn das Sinussignal einen kritischen Zeitpunkt durchläuft und seinen maximalen Amplitudenbetrag erreicht. Bevor und nachdem das Sinussignal den maximalen Amplitudenbetrag erreicht, weist das Kosinussignal einen positiven und einen negativen Wert auf. Mit Hilfe unterschiedlicher Amplitudenwerte des Kosinussignals kann die Drehbewegung des Elektromotors stets bestimmt werden, auch wenn die Umdrehungsbewegung des Elektromotors über einen so genannten kritischen Zeitpunkt hindurch läuft.
  • Vorteilhafterweise wird ein Steuergerät zur Regelung oder Steuerung eines elektromechanischen Fahrzeugslenksystems mit mindestens einer oben genannten Vorrichtung vorgesehen, wodurch das Fahrzeugslenksystem sicherer und zuverlässiger angesteuert werden kann.
  • Vorteilhafterweise kann die Drehrichtung des Elektromotors nach Durchlauf des Zeitpunkts, der dem maximalen Betrag der Amplitude des Sinussignals entspricht, alleine durch das Sinussignal bestimmt werden. D.h., nachdem die Drehrichtung des Elektromotors ermittelt worden ist, ist seine Umdrehungsbewegung wieder nur durch das Sinussignal verfolgbar, das Kosinussignal ist bis zu dem nächsten kritischen Zeitpunkt, an dem die Amplitude des Sinussignals ihren maximalen Betrag erreicht, für die Ermittlung bzw. Überwachung der Umdrehungsbewegung des Elektromotors nicht mehr notwendig. Dies reduziert dann den Leistungsanspruch auf Simulation des Kosinussignals.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Drehwinkels und der Drehrichtung eines Elektromotors eines elektromechanischen Fahrzeugslenksystems vorgesehen, wobei ein periodisches Sinussignal zur Ermittlung des Drehwinkels des Elektromotors durch einen Signalgenerator erzeugt wird, die Drehrichtung des Elektromotors durch das Sinussignal derart festgelegt wird, dass die rechtsdrehende und die linksdrehende Drehrichtung durch eine Amplitudenänderung des Sinussignals dargestellt wird, wobei die Drehrichtung ab einem Zeitpunkt, an dem die Amplitude des Sinussignals ihren maximalen Betrag erreicht, mit Hilfe eines positiven oder negativen Amplitudenwerts eines periodischen Kosinussignals festgelegt wird, und wobei das Kosinussignal als ein Referenzsignal durch das Sinussignal simuliert wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen der Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
    • 1: die Darstellung der Sinusfunktion zur Ermittelung der Umdrehungsbewegung eines Elektromotors,
    • 2: schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 1 zeigt ein periodisches Sinussignal 1, welches zur Ermittlung und/oder Überwachung der Umdrehungsbewegung eines Elektromotors 6, z.B. eines Elektromotors eines elektromechanischen Fahrzeugslenksystems, durch einen Signalgenerator 7 generiert wird. Das Sinussignal kann nicht nur Sinusfunktion darstellen, sondern auch als Kosinusfunktion 2 angesehen werden, wenn man die Phase des Sinussignals um 90° verschiebt.
  • Der Drehwinkel und die Drehrichtung des Elektromotors können durch das Sinussignal 1 und mittels des simulierten Kosinussignals 2 festgelegt werden. Wenn der Motor sich nach rechts, nämlich im Uhrzeigersinn dreht, entspricht dies z.B. der ersten Viertelperiode der Sinusfunktion, wo sie einen positiven Amplitudewert und einen positiven Amplitudenanstieg aufweist. Wenn der Motor sich um 90° dreht, erreicht die Sinusfunktion dann ihre maximale Amplitude an einem ersten kritischen Zeitpunkt 3. Als kritischer Punkt für die Drehrichtung gilt, wenn der vorherige Wert der Sinusfunktion 1 den maximalen Wert liefert, weil der Funktionsanstieg der Sinusfunktion 1 in beiden möglichen Drehrichtungen negativ ist. D.h., fällt die Amplitude beiderseits dieses Zeitpunkts 3 ab, ist die weitere Drehrichtung des Elektromotors alleine durch die Sinusfunktion nicht zu bestimmen. Um die Drehrichtung in diesem Fall zu ermitteln, verwendet man hier ein periodisches Kosinussignal 2 als ein Referenzsignal, wobei das Kosinussignal 2 nicht durch einen Signalgenerator 7 generiert wird, sondern durch das Sinussignal 1 mit einer Phaseverschiebung von 90° rein softwaretechnisch simuliert bzw. nachgebildet worden ist.
  • Falls diese Kosinusfunktion 2 nach diesem Zeitpunkt 3 einen negativen Wert hat, weist es auf eine unveränderte Drehrichtung des Elektromotors. Falls die Kosinusfunktion einen positiven Wert aufweist, bedeutet es, dass sich die Drehrichtung verändert hat, also der Elektromotor sich nach links oder gegen den Uhrzeigersinn dreht. Wenn der Elektromotor sich weiter bis dem nächsten kritischen Zeitpunkt 4 dreht, wo die Sinusfunktion 1 ihren kleinsten Amplitudenwert von minus Eins erreicht, kann die Drehrichtung auf einer ähnlichen Weise festgelegt werden. Falls die Kosinusfunktion 2 nach diesem Zeitpunkt 4 einen positiven Wert hat, bleibt die Drehrichtung des Elektromotors dann unverändert. Weist die Kosinusfunktion einen negativen Wert auf, bedeutet es, dass der Elektromotor sich in einer anderen Richtung dreht. D.h., je nach dem, dass die Amplitude der Kosinusfunktion nach dem Kritischen Zeitpunkt 3 oder 4 einen positiven oder negativen Wert aufweist, kann man die weitere Drehrichtung des Elektromotors festlegen.
  • Zwischen den zwei Zeitkritischen Punkten 3 und 4 kann man die Drehrichtung auch ohne Berücksichtigung des Kosinussignals 2 wieder alleine durch die Sinusfunktion 1 festlegen. Nimmt die Amplitude der Sinusfunktion 1 ab, dreht sich der Elektromotor stets in der gleichen Richtung. Wenn die Amplitude zunimmt, dreht sich der Elektromotor dahingegen in der umgekehrten Drehrichtung.
  • Durch das oben erläuterte Ermittlungsverfahren kann die Umdrehungsbewegung des Elektromotors eines Fahrzeuglenksystems nur durch eine Sinusfunktion auf eine einfache Weise ermittelt und überwacht werden. Somit wird die Verfügbarkeit und Sicherheit des Lenksystems erhöht, da potentielle Fehler, die in einer erforderlichen Hardware oder Software für Kosinusfunktion auftreten könnten, nicht mehr auftreten können.
  • Darüber hinaus, ist dieses Verfahren an allen Elektromotoren anwendbar, bei denen die Drehrichtung eines Elektromotors mittels wenigstens eines Sensors erfasst werden soll.
  • In 2 wird eine Vorrichtung 5 mit mindestens einem Signalgenerator 7 dargestellt, die die Umdrehungsbewegung eines Elektromotors 6 ermitteln bzw. überwachen kann. Der Signalgenerator 7 kann ein periodisches Sinussignal 1 zur Verfolgung der Umdrehungsbewegung des Elektromotors 6 erzeugen. Die Vorrichtung 5 umfasst weiterhin ein Rechenmittel 8, welches das erzeugte Sinussignal 1 in ein Kosinussignal simuliert umsetzen zu können. Die Simulation erfolgt rein durch eine im Rechenmittel 8 installierte Software. Das simulierte Kosinussignal 2 dient als ein Referenzsignal zur Bestimmung der Drehrichtung des Elektromotors 6 ab einem kritischen Zeitpunkt 3 oder 4, an dem das Sinussignal 1 seinen maximalen Amplitudenbetrag aufweist. Mit Hilfe eines aktuellen Amplitudenwerts des Kosinussignals 2 im Bereich des kritischen Zeitpunkts 3 oder 4 kann die Drehrichtung des Elektromotors 6 ab den kritischen Zeitpunkten 3 und 4 ebenfalls bestimmt werden.

Claims (7)

  1. Vorrichtung (5) zur Ermittlung und/oder Überwachung der Umdrehungsbewegung eines Elektromotors (6), wobei die Vorrichtung mindestens einen Signalgenerator (7) aufweist, der ein periodisches Sinussignal (1) zur Ermittlung eines Drehwinkels des Elektromotors (6) erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehrichtung des Elektromotors (6) durch das Sinussignal (1) derart festgelegt werden kann, dass die rechtsdrehende und die linksdrehende Drehrichtung durch eine Amplitudenänderung des Sinussignals (1) darstellbar ist, wobei die Drehrichtung ab einem Zeitpunkt (3), an dem eine Amplitude des Sinussignals (1) ihren maximalen Betrag erreicht, mit Hilfe eines positiven oder negativen Amplitudenwerts eines periodischen Kosinussignals (2) festlegbar ist, und wobei das Kosinussignal (2) als ein Referenzsignal durch das Sinussignal (1) simuliert wird.
  2. Vorrichtung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kosinussignal (2) eine Viertelperiode Phasenverschiebung zum Sinussignal (1) aufweist.
  3. Vorrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung des Elektromotors (6) nach Durchlauf des Zeitpunkts (3), der dem maximalen Betrag der Amplitude des Sinussignals (1) entspricht, alleine durch das Sinussignal (1) bestimmbar ist.
  4. Steuergerät zur Regelung oder Steuerung eines elektromechanischen Fahrzeugslenksystems mit mindestens einer Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
  5. Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung eines Drehwinkels und einer Drehrichtung eines Elektromotors (6), wobei ein periodisches Sinussignal (1) zur Ermittlung des Drehwinkels des Elektromotors (6) durch einen Signalgenerator (7) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung des Elektromotors (6) durch das Sinussignal (1) derart festgelegt wird, dass die rechtsdrehende und die linksdrehende Drehrichtung durch eine Amplitudenänderung des Sinussignals (1) dargestellt wird, wobei die Drehrichtung ab einem Zeitpunkt (3), an dem eine Amplitude des Sinussignals (1) ihren maximalen Betrag erreicht, mit Hilfe eines positiven oder negativen Amplitudenwerts eines periodischen Kosinussignals (2) festgelegt wird, und wobei das Kosinussignal (2) als ein Referenzsignal durch das Sinussignal (1) simuliert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung von einer Viertelperiode des Sinussignals (1) zwischen diesem und dem Kosinussignal (2) vorgesehen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung des Elektromotors (6) nach Durchlauf des Zeitpunkts (3), der dem maximalen Betrag der Amplitude des Sinussignals (1) entspricht, alleine durch das Sinussignal (1) bestimmt wird.
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